CC BY
39
УДК 622.281.74/.76
C.B. Борщевский, д-р. техн. наук, проф., [email protected],
(Украина, Донецк, ДонТУ),
Е.Е. Головнева, ассист., [email protected] (Украина, Донецк, ДонТУ),
A.A. Бородуля, канд. техн. наук, инженер, [email protected] (Украина, Донецк, Донецкшахтпроходка)
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННО-СИЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ В ОКРЕСТНОСТИ СОПРЯЖЕНИЙ
В результате лабораторных экспериментов установлена зависимость продольной и поперечной деформации от нормальных и касательных напряжений при одноосном сжатии, обосновано применение анкеров в качестве постоянного крепления участков стволов над сопряжениями.
Ключевые слова: тоннель, внутренний напор, взаимное влияние, обделка, напряженное состояние.
Вертикальные стволы горнодобывающих предприятий сооружают в комплексе с сопрягающимися и прилегающими к ним горными выработками. В табл. 1 приведен перечень основных выработок, прилегающих к стволу [1].
Форма и размеры поперечного сечения приствольных выработок и камер могут быть различны, их выбор производится в зависимости от места заложения, физико-механических свойств вмещающих пород, назначения располагаемого оборудования.
Проведение сопряжений стволов с околоствольными дворами имеет следующие особенности: значительные площади обнажения пород в связи с большими пролетами и высотой сопряжений, ведение буровзрывных работ, что значительно ослабляет массив пород в районе узла сопряжения, а также большой объем работ по возведению бетонных и железобетонных конструкций.
Указанные особенности, при отсутствии надлежащего обоснования направления проведения горизонтальной части сопряжения по отношению к залеганию вмещающих пород, ухудшают условия работы при строительстве и эксплуатации крепи участков стволов над сопряжением.
К настоящему времени накоплены весомые знания об условиях эксплуатации угольного бассейна в Донбассе и особенностях проявления горного давления в шахтах, в т.ч. на сопряжениях вертикальных стволов. К геомеханическим особенностям региона относятся следующие факторы [2] :
- высокая литолого-геомеханическая неоднородность продуктивной толщи при региональном, локальном и очаговом снижении показателей прочностных свойств пород;
- формирование больших зон разрушения вокруг выработок в условиях высокой дезинтеграции пород и асимметрии разгрузки массива по контуру;
- зональное разрушение пород вглубь массива и по длине выработки, вызывающее высокую деструктивную пластичность пород, большие их смещения в полость выработки и асимметрию нагрузок на крепь;
- увеличение глубины заложения выработок.
Таблица 1
Основные сопрягающиеся или прилегающие к стволу выработки
Типы стволов Выработки и камеры Глубина зало- жения Направление проведения Геометрические характеристики
Все виды стволов Калориферные и вентиляционные выработки Устье ствола Выбирается в соответствии с поверхностным комплексом Форма сечения прямоугольная; площадь сечения: 2-20м2.
Перекачные и редукционные камеры, вентиляционные ходки и сбойки, камеры зум-фового водоотлива и кабельных муфт Более 500 м Определяется назначением, видом и расположением оборудования Форма и стены прямые, свод пологий или плоский, высота 6,5...9,2 м, размеры в плане 2..5 х 3..6 м.
Главные Камеры загрузочных устройств. Ходки для чистки зумпфа, дробильно-бункерный комплекс Более 800 м Выбирается в соответствии с транспортными и технологическими схемами шахт Форма: прямоугольные стены, пологий свод. Размеры по высоте до 17 м, в плане - до 6 х 7 м.
Вспомогательные, воздухоподающие, вентиляционные Сопряжения с око-лоствольными дворами, водотрубные ходки Более 800 м Согласно СНиП, вкрест простирания вмещающих пород Форма арочная с полуциркульным сводом, незамкнутая с прямыми стенами или арочная с обратным сводом, площадью сечения до 40 м2.
Этими фундаментальными особенностями массива определяются направления поиска и создания охранных систем горных выработок. Основные принципы, которые следует положить в основу их разработки, должны быть связаны с обеспечением повышения устойчивости породного массива с учетом особенностей и стадий развития в нем фронта разрушения, т.е. следует обеспечить объемное упрочнение пород.
Особенности же деформаций прилегающих к стволам пород в районе сопряжения приводят к необходимости использования, для повышения их устойчивости, специальных регулятивных элементов крепи.
По степени нагруженности и напряженно-деформированного состояния крепи сопряжения с горизонтальными выработками околостволь-ного двора выделяют четыре зоны [3] (рис.1).
Рис. 1. Схема расположения характерных зон сопряжения: I - зона примыкания ствола к горизонтальной выработке; II - то же к почве горизонтальной выработки; III - зона наиболее ослабленного сечения сопряжения; IV- зона наиболее ослабленного сечения горизонтальной выработки
Протяженность I и II зон принимается равной 5 г0, где г0 - радиус ствола в свету. Поскольку радиус большинства стволов, находящихся в эксплуатации, составляет не более 4,20 м - протяженность I и II зон для них составляет 21 м. При проведении обследований [4, 5, 6], для единообразия, протяженность I и II зон была принята равной 20 м для всех условий, по данным практики значительно занижено. Протяженность IV, согласно исследованиям УкрНИМИ зоны составляет 30...50 м. Отметим, что хотя зоны III и IV не являются предметом исследования данной работы, их состояние, конструктивные особенности, различные геотехнические характеристики взаимосвязаны с зонами I и II, и оказывают на них влияние. Состояние крепи обследованных сопряжений в ряде случаев не соответствовало предъявляемым к ним требованиям.
Известны результаты исследований процесса хрупкого разрушения породного массива в окрестности сопряжения «ствол - горизонт», расположенного в однородном изотропном массиве [1].
Учитывая сильную неоднородность продуктивных толщ Донбасса, в работе [2] было выделено два базовых варианта сочетания пород (слабый
слой в прочных породах и прочный слой в слабых породах) при трех ос -новных литотипах (песчаник, алевролит, аргилит), а заложение сопряжения ствола с горизонтом производят в прочных слоях пород, то при моделировании было принято второе сочетание породных слоев (прочный СЛОЙ в слабых породах). При этом в прочном слое моделировалась горизонтальная сопрягающаяся со стволом выработка.
Описанный в настоящей статье объект исследований имеет следующие отличительные особенности. В данном случае: 1) породный массив моделируется не одним, а тремя слоями различной жесткости. 2) рассматриваются варианты наклонного расположения слоев; 3) рассматриваются варианты расположения горизонтальной выработки под различными углами к простиранию пород, с использованием анкеров и без.
Для моделирования использовался метод эквивалентных материалов [3, 4]. Конструкция модели в общих чертах представлена на рис. 2.
6
і
Рис. 2. Конструкция модели для изучения хрупкогоразрушения породного массива в окрестности сопряжения «ствол-горизонт», расположенного в жестком промежуточном слое: 1, 2 - отверстия, моделирующие вертикальный ствол и горизонтальную выработку; 3, 4 - податливые слои; 5 - жесткий слой; 6 - проволока, моделирующая анкера
Она представляет собой куб с размерами граней 0,1 м. В вертикальной плоскости куб состоит из трех слоев: внутреннего, являющегося более жестким, и наружных, более податливых. Предполагается полное сцепление между слоями. Прочностные свойства и жесткость внутреннего слоя выше, чем верхнего и нижнего. Сквозное цилиндрическое отверстие, проходящее
через жесткий слой, моделирует околоствольную выработку. Такое же ортогональное к выработке отверстие, проходящее по оси симметрии куба, моделирует вертикальный ствол. Диаметры отверстий равны 0,01 м. Угол наклона слоев составляет порядка 10о.
Для получения достоверных значений, используя теорию вероятностей [5] установили необходимое количество образцов п = 18.
В качестве прототипа модели взято сопряжение ствола, расположенное в слое песчаника. Смежные с ним породные слои представлены песчаными сланцами. Жесткий слой на модели выполнен из песчаноцементной смеси (П:Ц=1:1), а податливые - из песчано-цементно-гипсовой (П:Ц:Г=1:1:1) смеси, при этом отношение В/Ц=0,4. Анкерная крепь моделировалась проволокой 00,5 мкм длиной 5 мм. Проволока устанавливалась со стороны горизонтального отверстия, по 3 шт в вертикальном и горизонтальном рядах.
Испытания проводились после набора прочности смеси в образцах, т.е. на ранее чем через 28 суток. Данные о свойствах материалов в натурных условиях и на модели представлены в табл. 2.
Таблица 2
Сравнительная таблица физико-механических свойств слоев породного массива и модели
Параметр Для массива Для модели
Жесткий слой Податливый слой Жесткий слой Податливый слой
Диаметр выработки й, м 5,0 5,0 10-2 10-2
Время действия нагрузки t, с 106 106 102 102
Плотность р, 103 кг/м3 2,7 2,5 2,3 2,0
Прочность на одноосное сжатие осж., МПа 57 36 22 14
Прочность на растяжение ор., МПа 6,8 5,1 2,7 2,0
Модуль Юнга Е, ГПа 32 24 13 9,3
Для корректной интерпретации результатов испытаний модель из эквивалентных материалов должна соответствовать критериям подобия. Для упругой области безусловно должно выполняться условие динамического подобия [6]. При испытании модели нагружением, приводящим к разрушению, дополнительно должно обеспечиваться определенное соотношение между прочностными характеристиками пород в натуре и мате-
риалов слоев модели. Выполнение указанных критериев достаточно для оценки явления разрушения в качественном плане.
Для качественной оценки явления разрушения соблюдались условия динамического подобия и подобие процессов деформирования
., <■
а,
а.
а.
ар х а
р.м
Е,
а. і
’ (арх °14)
Однако оценить количественно зону разрушений достаточно сложно с учетом того, что материалы должны удовлетворять условию жесткого сцепления между слоями, а также диаметр ствола в натурных условиях принят 5 м, дополнительно возникает техническая проблема регистрации довольно малых трещин, образующих зону разрушения. Поэтому в данном эксперименте речь идет только о качественной стороне явления.
Схема и вид установки (П-500) для испытаний моделей представлены на рис. 3, 4.
Рис. 3. Общий вид установки испытания образцов: 1 - испытуемый образец; 2 - плиты пресса П-500; 3 - измерительные датчики
На нижней плите пресса 1 установлены гидродомкраты 14 и платформа 3 с датчиками. В исходном состоянии гидродомкраты обеспечивают распор плит пресса с усилием около 1,2 МН. На платформе 3 соосно с центром нижней плиты 1 и верхней плиты 2 располагается испытываемый образец 4. Между верхней плитой пресса и образцом установлен тензометри-ческий силоизмеритель 6.
На платформе смонтированы тензометрические датчики измерения вертикальных 7 и горизонтальных 8 деформаций. Выход тензометрическо-го силоизмерителя 6 через аналоговый усилитель 9 подключен к вертикальным ходам «У» самопишущих вольтметров 10.
Горизонтальный выход «X» потенциометра 10 соединен через аналоговый усилитель 9, транскриптор 12 и цифропечатающее устройство 13 с выходом датчиков вертикальной 7 и горизонтальной 8 деформации.
Жесткий характер нагружения моделей обеспечивается гидродомкратами. Первичными регистрируемыми параметрами является сжимающее усилие Г, а также абсолютная продольная деформация АН и абсолютная поперечная деформация АЬ. Для анализа осуществляют расчет удельных характеристик: действующего напряжения о, а также относительных деформаций: продольной гпр и поперечной £поп.
Характерный вид полных кривых деформирования модели в продольном и поперечном направлениях представлен на рис. 5.
Рис. 4. Схема определения деформационныххарактеристикмоделей: 1 - нижняя плита пресса; 2 - верхняя плита пресса; 3 - платформа с датчиками; 4 - модель; 5 - промежуточный диск; 6 - силоизмерителъ; 7 - датчик вертикальной деформации; 8 - датчик горизонтальной деформации; 9 - блок аналоговыхусилителей; 10 - блок цифровых вольтметров; 11 - тактовый генератор; 12 - транскриптор;
13 - цифропечатающееустройство; 14 - гидродомкрат
« 4,5
о -------------------------------------------------------------------
О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Относительная продольная деформация, %
-В- Образцы №16-18 (по простиранию без анкеров)
-в- Образцы №13-15 (в крест простирания без анкеров)
-А- Образцы №10-12 (без анкеров, под углом 45 град к линии простирания)
Образцы №4-6 (по простиранию с анкерами)
-ж- Образцы №1-3 (в крест простирания с анкерами)
-©- Образцы №7-9 (с анкерами, под углом 45град к линии простирания)
Рис. 5. Характерный вид зависимости относительной продольной деформации от сжимающего напряжения до предела прочности
на одноосное сжатие
Для напряжений, не превышающих 0,7асж., деформирование в первом приближении можно считать упругим, после чего начинается интенсивное развитие микротрещин, способствующее прогрессирующему росту нелинейных деформаций в обоих направлениях. На участке запредельного деформирования наблюдается асимптотическое выполаживание кривой. По положению асимптоты оценивается значение остаточной прочности
@ост.
По сравнению с классическими диаграммами упругого деформирования породных образцов для исследуемых моделей наблюдается более высокая степень нелинейности. Очевидно, она связана с особенностями взаимодействия смежных слоев различной жесткости, сцепление которых и на практике не является идеальным. Проведено визуальное обследование состояния моделей после завершения испытаний на прессе. Характер внешних проявлений процесса разрушения моделей представлены в табл.3.
Таблица 3
Характерразрушения моделей
Номер
модели
Расположение горизонтального отверстия по отношению к напластованию
Наиболее характерные схемы разрушения (1 - ствол;
2 - выработка)
Описание характера разрушения модели
По простира-16-18 нию без анкеров
Отрыв верхнего слоя от среднего; вертикальные трещины отрыва во всех трех слоях
В крест прости-13-15 раниябез анкеров
10-12
Под углом 45 к линии простирания без анкеров
Отрыв верхнего слоя от среднего; вертикальные трещины отрыва в верхнем и среднем слое
Вертикальные трещины отрыва в верхнем и среднем слое
4-6
По простиранию с анкерами
Вертикальные трещины отрыва в верхнем и среднем слоях
В крест прости-1-3 рания с анкера-
ми
7-9
Под углом 450 к линии простирания с анкерами
Вертикальные трещины отрыва в среднем слое
Вертикальные трещины отрыва в верхнем слое
Результаты лабораторных исследований позволяют сделать следующие выводы:
1. По прочностному критерию все варианты расположения горизонтальной выработки в наклонном жестком слое примерно равноценны, поскольку разрушающие модель напряжения соизмеримы и находятся в пределах естественных для подобных испытаний ошибок.
2. Образцы, моделирующие комбинированную анкерно-бетонную крепь, находятся в наиболее выгодном положении по сопротивляемости к разрушению в сравнении с обычными образцами без анкеров, так как в
этом случае происходит блокирование развития отрывно-сдвиговых деформаций, возникающих в результате разрыва слоев, путем перехода в сдвигово-скользящие.
Для полноты картины о напряженном состоянии системы «крепь -породный массив» необходимо провести ряд натурных исследований взаимодействия элементов указанной системы с применением наиболее информативных и технологичных методов диагностики по оценке состояния приконтурной зоны ствола и сопряжения, определяющих выбор эффективных мероприятий для обеспечения устойчивости ствола.
Список литературы
1. Анкерное крепление в угольных шахтах Украины // Информационные материалы КЦ Тасис. Донецк, 1999. 22 с.
2. Левит В.В. Геомеханические основы разработки и выбора комбинированных способов крепления вертикальных стволов в структурно неоднородных породах: дис ... д-ра техн. наук. Днепропетровск, 1999. 463с.
3. Анкерная крепь: справочник/ А.П.Широков [и др.]. М.: Недра, 1990. 205 с.
4. Методическое руководство по укреплению углеполимерных массивов химическим анкерованием. М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1987.
39 с.
5. Матеріали для математичної обробки результатів експериментів і
оцінки точності вимірів до лабораторних та практичних робіт з дисципліни “Фізика гірських порід”, “Механіка гірських порід”, “Матеріалознавство”, “Механіка грунтів, основи та фундаменти” для студентів напрямку підготовки 0903 “Гірництво” / О.В.Солодянкін, В.В .М’якенький,
С.В.Мартиненко. Дніпропетровськ: НГУ, 2001. 17 с.
6. КД 12.01.01.502-98 Система забезпечення надійного та безпечного функцюювання гірничих виробок із анкерним кріпленням. Порядок та організація. С. 25-32.
S. Borshchevskiy, E. Golovneva, A. Borodulya
Studies of strain-power vertical shafts performance near connection
The dependence of the longitudinal and transverse strain on compressive and tensile stresses in axial compression is established on the base of laboratory experiments. Anchor using as permanent shaft support under connections is proved as well.
Key words: tunnel, inside pressure, cross-effect, lining, stress condition.
Получено 22.09.10
