К вопросу о проектировании комбинированной крепи с регулируемым режимом работы Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

© С.Г. Страданченко, С.А. Масленников, Д.И. Шинкарь, 2012

УЛК 622.272

С.Г. Страданченко, С.А. Масленников, Д.И. Шинкарь

К ВОПРОСУ О ПРОЕКТИРОВАНИИ КОМБИНИРОВАННОЙ КРЕПИ С РЕГУЛИРУЕМЫМ РЕЖИМОМ РАБОТЫ*

Рассмотрен вопрос расчета параметров комбинированной сталебетонной крепи с регулируемым режимом работы, предложен коэффициент, служащий критерием выбора основных геометрических и деформационных характеристик крепи. Ключевые слова: сталебетонная крепь, вертикальный ствол, горное давление, гидростатическое давление.

К проектированию крепи комбинированного типа существует два подхода:

• в первом случае, при строительстве стволов в водоносных горизонтах со значительным притоком воды, применяют гидроизолирующую крепь (чугунно-бетонная, сталебетонная), в которой слой бетона предназначен для восприятия горного давления, а став тюбингов, стальная обечайка — для восприятия гидростатического давления подземных вод [1];

• во втором случае, в породах с малым водопритоком, в стальной обечайке, устраивают дрены, предназначенные для спуска воды, проникающей в крепь. В этом случае давление воды воспринимается породами и слоем цемента/бетона.

В опыте шахтного строительства Германии нашел широкое применение вариант конструкции крепи, в которой в эксплуатационном режиме реализуется первый подход, в ава-

рийном - второй. В сталебетонной крепи, состоящей из двух стальных обечаек и слоя бетона между ними, для случая нарушения внешней оболочки в каждом кольце внутреннего цилиндра предусмотрен патрубок с пробкой, открывая который, можно выпустить воду и этим снять гидростатическое давление с внутренней обечайки.

Авторами статьи предложен новый вариант - крепь с регулируемым режимом работы. Благодаря возможности перераспределения давления воды между слоями открываются перспективы более полного использования ресурса применяемых материалов, снижения стоимости и материалоемкости крепи. Более подробно предлагаемая конструкция описана в [2].

В основу расчета крепи положено разложение поля напряжений в комбинированной сталебетонной крепи на две составляющие, возможное со-

* Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Министерства образования и науки Российской Федерации: Государственный контракт № 16.515.11.5039 «Разработка безотходных экологически безопасных способов добычи и переработки руд месторождений Северного Кавказа на основе комбинирования традиционных и инновационных технологий».

гласно принципу суперпозиции сил: от давления пород и воды. Для этого по методике, изложенной в [3] и детально разработанной в [4], построим математическую модель трехслойной крепи, в которой внутренний слой состоит из стальной обечайки, второй — из бетона с повышенной водопро-водяшей способностью и третий — из плотного бетона. Рассматривая распределение напряжений в бетоне [5, 6], при достижении слоем стали предельного состояния, оценим резерв несушей способности по формуле:

= 100 %(Ньп - ¿"од) / Иьп где ИЬп - нормативная прочность бетона при одноосном сжатии, МПа; с1пе(з) - нормальные тангенциальные напряжения на внутренней поверхности слоя бетона, МПа.

Результаты расчета представлены в виде графика на рис. 1. Как видим, имеется сушественный резерв несушей способности — 2 — 31 МПа, или 13,8 — 73 % от прочности бетона, который может быть использован для восприятия части давления от воды.

Й 60

о 50

В 40

20

10

0,00

0,06 0,08 0,10 0,12 Толщина слоя стали, м

Рис. 1. Зависимость резерва несушей способности бетонов класса по прочности от В 20 до В 60 от толшины стальной оболочки

С ростом толшины стальной оболочки возможность передачи давления от подземных вод на бетон сокрашается, т.к. увеличивается доля давления от породного массива, передаваемая на бетон. Как видно из графика, с увеличением класса бетона показатель с1пр растет, что указывает на увеличение запаса прочности (до 73 % от прочности бетона) и характеризует неэффективность использования высокопрочных бетонов в стале- и чу-гунно-бетонных крепях обычной конструкции. С применением принципа регулируемости открываются широкие возможности по эффективному использованию высокопрочных бетонов (до класса В60 и выше) при строительстве вертикальных стволов.

При проектировании крепи с регулируемым режимом работы наиболее ответственным является выбор давления, при котором регулируюшие элементы начнут фильтровать воду - давления сброса. Для определения последнего необходимо найти долю давления подземных вод, которая может быть передана на слой бетона в конкретных условиях. Для решения этой задачи была найдена зависимость полноты использования несушей способности крепи от основных влияюших факторов. Диапазон варьирования и перечень входяших величин определялся выбранной методикой расчета [3] и из анализа нормативной, научно-технической литературы, результаты представлены в табл. 1.

Основные влияюшие факторы были сгруппированы следуюшим образом:

80

70

30

Таблица 1 Исходные данные

Наименование фактора Значения

тт тах

Радиус в свету гх, м 1 4,5

Толщина слоя ^ м 0,01 0,2

Толщина слоя 1:3, м 0,2 0,7

Удельный вес пород уь МН/м3 0,02 0,03

Коэффициент Пуассона VI бетона 0,17 0,22

Коэффициент Пуассона VI пород 0,2 0,3

Модуль упругости Б1 бетона, МПа 23000 40000

Модуль упругости Б1 пород, МПа 1000 20000

Глубина рассматриваемого участка, м 20 2000

Расстояние от забоя до введения крепи в работу, м 0,5 2

Прочность бетона на одноосное сжатие, МПа 11 43

1. Согласно принятой расчётной схеме все виды нагрузок и воздействий, которым подвергается многослойная крепь, были представлены в виде эквивалентных напряжений, приложенных на «бесконечности»

(Рея) [4].

Соответственно факторы: (4) Удельный вес пород, (9) Глубина, (10) Отступ крепи от забоя, (6) Коэффициент Пуассона пород далее рассматривались как один фактор - эквивалентные напряжения, определяемый по [4, (7.68)], где основной вес имеет фактор (9) Глубина, а остальные являются дополнительными.

2. (1) Радиус, (2) Толщина стали, (3) Толщина слоя бетона, (7) Модуль упругости бетона, (11) Прочность бетона рассматривались как самостоятельные факторы.

Далее были найдены коэффициенты корреляции для каждого фактора, их анализ показал, что факторы (4) Модуль упр. бетона, МПа (Ь-линей-ный эффект), Модуль упр. бетона, МПа (О-квадратичный эффект) и (6) Прочность бетона, МПа (Ь) Прочность бетона, МПа (О) связаны функ-

ционально (корреляция соответствующих эффектов равна единице), исходя из этого фактор «Прочность бетона, МПа» из дальнейшего рассмотрения был исключен. Вместо него, для повышения точности расчетов, был введен дополнительный фактор «Модуль упругости пород, МПа», как имеющий наибольший вклад, из включенных в Ред факторов, в целевую функцию.

В дальнейшем для снижения абсолютных величин эффектов резерв несущей способности крепи оценивался коэффициентом кр=ДНЬп; сше(3)), значение которого находим по формуле: кр=(Иьп — с'пе(3))/ йьп

Далее, используя центральный композиционный план для 6 факторов и выполняя его обработку по методике, изложенной в [7], была найдена искомая регрессионная функция, которая в общем виде, с учетом линейных, квадратичных эффектов и их взаимодействий, имеет следующий вид:

К=а + а;*Х?+ а^Х^п

2

где ^ - линейные эффекты; ^ -квадратичные; Х^_п - все возможные

Таблица 2 Оценки эффектов

Эффект Ст.Ош. 1(18) Коэф. а Р

Сред/Св.член 0,5226 0,1413 3,6975 0,5226 0,000313

(1)Радиус, м(Ц -0,2482 0,1552 -1,5991 -0,1241 0,12720

(2)Толщина слоя стали, м(Ц 0,7554 0,1552 4,8673 0,3777 0,000124

(З)Толщина слоя бетона, м(Ц 0,1408 0,1552 0,9073 0,0704 0,376219

(4)Модуль упругости бетона, МПа(Ц 0,4249 0,1552 2,7376 0,2124 0,013526

(Б)Эквивалентные напряжения, МПа(Ь) -1,154 0,1552 -7,4354 -0,577 0,000001

(6)Модуль упругости пород, МПа(Ь) 0,6058 0,1552 3,9036 0,3029 0,001041

Таблица 3

Критические значения факторов

Наблюл. Крит. Наблюл.

1 Радиус, м 2,00 3,85 4,00

2 Толщина слоя стали, м 0,01 0,40 0,20

3 Толщина слоя бетона, м 0,20 0,84 0,50

4 Модуль упр. бетона, МПа 23000,00 24073,54 40000,00

5 Эквивалентные напряжения, МПа 1,00 13,12 11,00

6 Модуль упругости пород, МПа 1000,00 -1146,47 10000,00

сочетания линейных эффектов; Хх — (1) Радиус, м (Ь); Х2 — (2) Толшина слоя стали, м (Ь), г/л; Х3 — (3) Толшина слоя бетона, м (Ь); Х4 — (4) Модуль упр. бетона, МПа (Ь); Х5 — (5) Эквивалентные напряжения, МПа (Ь); Х6 — (6) Модуль упругости пород, МПа (Ь) и т.д.; 1 - принимает значения от 1 до 6; ] - от 7 до 12; к - от 13 до 17; п - от 1 до 5.

Рассчитанные регрессионные коэффициенты а1, а^ для линейных и эффектов представлены в табл. 2. Величина достоверности аппроксимации (коэффициент множественной корреляции между зависимой и независимыми переменными) найденной функции И2=0,90083. В соответствии со шкалой Чеддока силу связи можно охарактеризовать как весьма высокую.

По данным, приведенным в табл. 2, можем выделить основные влияю-шие факторы для выбранного уровня статистической значимости р<0,05.

Проведенный анализ полученной функции позволил с заданной точностью выделить вклад каждого фактора, определить характер его влияния на искомый коэффициент кр, найти критические значения факторов (см. табл. 3).

Из табл. 3 видим, что критические значения для факторов «Толшина слоя стали, м», «Толшина слоя бетона, м», «Эквивалентные напряжения, МПа», «Модуль упругости пород, МПа» находятся вне рассматриваемого диапазона значений. В качестве примера на рис. 2 показан характер зависимости коэффициента кр от толшины слоя стали.

Из табл. 3 и рис. 2 видим, что коэффициент кр увеличивается с ростом значений фактора «Толшина слоя стали, м», при толшине слоя св. 100 мм даже при максимальных, в рассматриваемом диапазоне, величинах нагрузок коэффициент имеет положительные значения.

Рис. 2. Зависимость коэффициента кр от толщины слоя стали

Таблица 4

Значения коэффициента кр

0,2< кп

0< кп<0,2

кп<0

При данном сочетании выбранных параметров крепи и нагрузки, крепь с регулируемым режимом рекомендуется к применению. Величина максимально допустимой доли давления воды, передаваемой на бетон, может быть определена обратным расчетом по коэффициенту кп или по методике, приводимой в [4].

При данном сочетании выбранных параметров крепи и нагрузке, крепь с регулируемым режимом может быть применена только при проведении дополнительной проверки надежности данных геологической разведки, качества и однородности свойств бетона, а также уточненного расчета по методике, приводимой в [4].

При данном сочетании выбранных параметров крепи и нагрузке, крепь с регулируемым режимом не может быть применена. Необходимо увеличить класс применяемого бетона, если по достижении максимально возможного класса бетона кп<0, то нужно увеличить толщину слоя стали.

Критические значения факторов «Радиус, м», «Модуль упр. бетона,

МПа» лежат в рассматриваемом диапазоне условий. С увеличением ра-

диуса ствола значение коэффициента кр уменьшается, а с превышением значения г0 = 3,85 м величина кр снижается с увеличиваюшейся скоростью. Таким образом можно сделать вывод, что эффективность применения крепи с управляемым режимом работы повышается с уменьшением диаметра ствола, наиболее неблагоприятными условиями применения разработанной конструкции крепи являются стволы диаметром свыше 7,5 - 8 м. в свету.

С увеличением модуля упругости используемого бетона свыше

24 000 МПа коэффициент кр нелинейно возрастает, т.е. с увеличением класса бетона доля давления воды, передаваемая на бетон, может быть увеличена. Использование бетона ниже класса В20 в крепи с регулируемым режимом не эффективно.

Значения найденного коэффициента кр могут варьироваться в широких пределах, в табл. 4 представлены его граничные значения, при которых сталебетонная крепь с регулируемым режимом работы может быть применена.

1. Картозия Б.А., Федунец Б.И., Шуплик М.Н. и др. Высшее горное образование: Шахтное и подземное строительство. Учебник для вузов, 2-е издание, переработанное и дополненное. Том I / Академия горных наук. — Москва. - 2001. — 607 с.

2. Страданченко С. Г., Масленников С.А., Шинкарь Д.И. Конструкция гидроизолирующей сталебетонной крепи вертикальных стволов с регулируемым режимом работы / Известия высших учебных заведений. Горный журнал. - Екатеринбург, 2010 — № 2, с. 29 - 32.

3. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчёту крепи/ВНИМИ, ВНИИОМШС Минугле-прома СССР. — М.: Стройиздат. - 1983. - 272 с.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Булычёв Н. С. Механика подземных сооружений. М: Недра, 1994. - 382 с.

5. Масленников С.А. Обоснование рациональных параметров комбинированной чугунно-бетонной крепи вертикальных стволов / Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 2009. — №4 -С. 210—214.

6. Масленников С.А. Особенности работы бетона в комбинированной чугунно-бетонной крепи / Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: сб. научн. трудов. Вып. 15. -Донецк: «Норд-Пресс», 2009. - С. 16-18.

7. Хартман К., Лецкий Э., Шеффер В. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. М.: Мир. -1977. - 552 с. ШЕ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Страданченко С.Г. — доктор технических наук, профессор, ЮРГУЭС, Масленников С.А. — кандидат технических наук, доцент, Шинкарь Д.И. — аспирант,

Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), ngty@novoch.ru