CC BY
18
удк 622 28 с.А. Масленников
КВОПРОСУ
О ПРОЕКТИРОВАНИИ КРЕПИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ В СЛОЖНЫХ ГОРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ*
Предложен ряд конструкций сталебетонных крепей с управляемым режимом работы. Вопрос расчета их напряженно-деформированного состояния, и, в частности, под воздействием гидростатического давления, оставался открытым. Приведены формулы для определения давления подземных вод на внутренний слой крепи в режиме фильтрации. В основу расчета положена методика, рекомендуемая нормативными документами и детально разработанная Н.С. Булычевым. Величину коэффициента фильтрации внутреннего слоя предложено находить из условия равенства величины давления подземных вод критическому давлению на стальную оболочку. С учетом этого крепь предложенной конструкции может работать в двух режимах: все давление воды воспринимается внутренней стальной оболочкой, крепь работает как обычная сталебетонная водонепроницаемая крепь, режим работы - неуправляемый, соответственно этому ведется расчет; давление воды распределено между слоями крепи и вмещающим породным массивом, доля воспринимаемого слоем давления может быть определена по приводимым в статье формулам, крепь работает в управляемом режиме, рассчитывается как фильтрующая. Ключевые слова: вертикальный ствол, крепь, напряженно-деформированное состояние, гидростатическое давление, проходка, породный массив.
Усложнение ведения горных работ ведет к необходимости разработки новых решений по креплению вертикальных стволов, так как существующие не обеспечивают достаточной надежности, и не соответствуют современным требованиям ресурсосбережения [1, 2]. Возможным направлением решения
* Представленные результаты получены в рамках выполнения Госзадания Минобрнауки России № 1.10.14 по теме «Ресурсосберегающие и экологически безопасные технологии освоения подземного пространства на основе комплексного мониторинга всех стадий жизненного цикла инженерных объектов и систем» и гранта МК-6986.2015.8 по теме «Разработка инновационных конструктивных и технологических решений при креплении вертикальных стволов шахт и рудников.
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 6. С. 50-55. © 2016. С.А. Масленников.
существующей проблемы является максимальное использование несущей способности горного массива. Так для сооружения стволов в слоях с напорными водами авторами предложена крепь с регулируемым режимом работы [3, 4, 5]. Ее конструкция включает (см. рис. 1) внутреннюю металлическую оболочку 3, слой высокопрочного фибробетона 2 с искусственно улучшенными водопроводящими свойствами, внешний слой из поли-
мербетона повышенной плотности ющие элементы 4, а также систему отвода воды (см. рис. 2).
Металлическая оболочка выполняет двойную функцию: грузонесу-щую, в т. ч. восприятие части гидростатического давления и сдержива-юще — накопительного экрана, что предопределяет возможность снижения ее толщины.
Наличие проводящего слоя позволяет исключить неравномерность давления воды по периметру выработки и, соответственно, обеспечить наиболее благоприятные условия работы, снизить перепады давления при сбросе воды, уменьшить количество необходимых контрольно-регулирующих элементов.
Внешний слой полимербетона в качестве составной части комбинированной крепи предназначен для восприятия давления со стороны пород и части напора подземных вод, за счет регулируемого перепада гидростатического давления в массиве и на внутреннем контуре стальной оболочки.
Контрольно-управляющий элемент представляет собой, закрепляемую в теле металлической оболочки конструкцию, обеспечивающую полную гидроизоляцию при давлении воды менее давления — сброса и пропускающую воду после его достижения.
1, контрольно-регулиру-
Рис. 1. Конструкция крепи суп-равляемым режимом работы
Рис. 2. Система отвода воды
Система отвода воды (см. рис. 2) монтируется из резиновых шлангов 5, соединительных штуцеров 7 и устанавливаемых отдельно для каждого яруса контрольно-измерительных элементов счетчиков расхода воды 8, информация с которых поступает в поверхностный пункт управления. Из системы отвода вода подается в единый трубопровод 9, по которому откачивается на поверхность.
Принцип работы крепи предлагаемой конструкции заключается в следующем: вода под давлением проникает через внешний слой 1 и попадает в слой бетона с искусственно повышенными фильтрующими свойствами 2, где равномерно распределяется, стремясь повысить гидростатическое давление до его величины в породном массиве. При достижении давлением значений, близких к критическим, срабатывают контрольно-регулирующие элементы, часть воды стравливается внутрь ствола, где стекает по системе шлангов 5, аккумулируется и по трубопроводу 9 выдается на поверхность. Таким образом, в предлагаемой конструкции, благодаря возможности регулирования раздельного восприятия гидростатического давления слоем стали и бетоном реализуется принцип «управляемой работы крепи». При этом доля нагрузки, которую несет тот или иной слой определяется выбором давления — сброса на контрольно-регулирующих элементах. Объем откачиваемой воды будет незначительным, ввиду мощности внешнего слоя бетона, его низкой фильтрующей способности, а также относительно небольшого перепада давлений.
В основу расчета разработанной крепи положена методика, рекомендованная в [6] и детально разработанная Н.С. Булычевым Давление подземных вод на фильтрующую крепь при наличии нескольких слоев может быть определено по формуле 15 [6] — без тампонажа (два слоя: крепь—порода) и 16 [6] — при наличии тампонажа (три слоя: крепь — затампони-рованные породы—породы.
Обе формулы предназначены для расчета бетонной крепи (2—3 слоя) и для использования в расчете мно-оетон гослойной крепи (4—5 слоев) с не-
Рис. 3. Нагрузки на слой стали нулевым коэффициентом фильтра-
Стапь
ции внутреннего слоя стали требуют соответствующих преобразований.
Для общего случая пятислойного кольца (стальная оболочка — слой бетона с повышенными водопроводящими свойствами — слой тяжелого бетона — затампонированные породы — породы в естественном состоянии) формула для расчета нагрузки от давления подземных вод на первый слой примет вид:
п - Нв - ^
Р =-Т-, кПа (1)
п ь1 ь1 ь1 ь1
, Т. Кф , т2 Кф , т3 Кф , Т, Кф , г5
+ - + Л - + 1Т - + Т5Т -
У к? У Р У Ь -у г? у
Т0 Кф Т1 Кф Т2 Кф Т3 Кф Т4
Обозначения те же, что и в [6].
В данной формуле неизвестным остается коэффициент характеризующий, в нашем случае, проницаемость для воды слоя стали (через регулирующие элементы). Для определения его величины рассмотрим нагрузки и связи слоя стали (см. рис. 3, где р1 — доля давления от пород передаваемая на слой стали, Рсв — давление, возникающее на контакте металлической оболочки с бетоном и воспринимаемое связями (анкерами), МПа; РГ1 — гидростатическое давление на слой 1, МПа; рст — сопротивление стали деформациям).
Составляя уравнение равновесия получаем:
РГ1 = Р + р — р1 (2)
Г1 св ^ст у '
Величину рст примем равной Рсг — критическому значению внешнего гидростатического давления, при превышении которого оболочка отрывается от бетона и теряет устойчивость выпучиванием.
Далее, чтобы отличать любое возможное значение гидростатического давления на слой стали РГ1 от максимально допустимого, которое в нашем случае является давлением сброса, обозначим его как Рсб. Коэффициент фильтрации слоя стали обозначим и в дальнейшем будем именовать условным коэффициентом фильтрации. В этом случае формула для определения условного коэффициента фильтрации примет вид:
Т
( и Л
Н
РГ1
- 1
К1 =_:_
ф 1 1 т2 1 , т3 1 т4 1 , Т5
и ■^ + и ■^ + и ■^ + и-^
(3)
Критическое давление Рсг в соответствии с принятой схемой расчета и рекомендациями [6] найдем по методике Е. Амштутца.
С учетом характера работы управляющих элементов, в которых вода фильтруется только по достижению Рсб, можно сделать вывод о том, что крепь будет иметь два режима работы:
1. Рсб > РГобщ, = 0, все давление воды воспринимается внутренней стальной оболочкой, крепь работает как обычная сталебетонная водонепроницаемая крепь, режим работы — неуправляемый, соответственно этому ведется расчет.
2. Рсб < РГобщ, £ф™ ^ 0, давление воды распределено между слоями крепи и вмещающим породным массивом, доля воспринимаемого слоем давления может быть определена по формулам 1—3, крепь работает в управляемом режиме, рассчитывается как фильтрующая.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. 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. — № 2. — 2010. — С. 29—32.
2. Масленников С. А. Обоснование рациональных параметров комбинированной чугунно-бетонной крепи вертикальных стволов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2009. — № 4. — С. 210-214.
3. Страданченко С. Г., Масленников С. А., Шинкарь Д. И. Конструкция крепи вертикальных стволов с регулируемым режимом работы. Патент РФ 2433269, МПК Е21 D 5/11. Заявлено 16.11.2009. Опубл. 10.11.2011, Бюл. № 15.
4. Масленников С. А., Меренкова Н.В. Конструкция крепи вертикального ствола с регулируемым режимом работы. Патент РФ 2524082, МПК Е21 D 5/11. Заявлено 04.12.2012. Опубл. 27.07.2014, Бюл. № 21.
5. Масленников С. А. Крепь вертикального ствола. Патент РФ 2521105, МПК Е21 D 5/11, Е21 D 11/00. Заявлено 04.03.2013. Опубл. 27.06.2014, Бюл. № 18.
6. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи. ВНИМИ, ВНИИОМШС Минуглепрома СССР. — М.: Стройиздат, 1983. - 272 с. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ
Масленников Станислав Александрович — кандидат технических наук, доцент, e-mail: MaslennikovSA@mail.ru,
Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) Донского государственного технического университета экономики и сервиса в г. Шахты.
UDC 622.28
Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 6, pp. 50-55. S.A. Maslennikov
THE QUESTION OF DESIGN SECURED UPRIGHT TRUNK IN COMPLEX MINING AND GEOLOGICAL CONDITIONS
At present, the general trend is a complication of mining conditions. Existing structures lining characterized by high material, cost, and it does not provide a complete waterproof. Abroad in the construction of boreholes in difficult surroundings is widely reinforced lining. The authors have proposed a number of steel-concrete structures attached with a controlled mode. Question calculation of their stress-strain state, and in particular under the influence of hydrostatic pressure remained open. This article describes the formula to determine the pressure of groundwater inner lining for waterproof layer filtering mode. The calculation is based on the methods recommended by normative documents and an elaborate NS Bulychev. Coefficient of filtration of the inner layer to offer is from the condition that the pressure of groundwater critical pressure on the steel shell. With this in mind, lining the proposed design can operate in two modes: full water pressure perceived steel liner lining works like a normal reinforced concrete tubbing, mode - uncontrollable, according to this calculation is carried out; water pressure is distributed between the layers of lining and enclosing rock mass, the proportion of perceived pressure layer can be determined by the formulas given in the article, lining works in a controlled manner, is calculated as the filter.
Key words: surface vertical shaft, lining, stress and strain state, static head of water, shaft-sinking, rock-mass weakening
AUTHOR
Maslennikov S.A., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor,
e-mail: MaslennikovSA@mail.ru, Institute for Service Sector and Entrepreneurship
(branch) Don State Technical University, 346500, Shakhty, Russia.
ACKNOWLEDGEMENTS
The presented results were obtained in the framework of task assignment No. 1.10.14 of the RF Ministry of Education and Science under the topic «Resource-saving and ecology-friendly technologies of underground mining based on the integrated monitoring of overall life stages of engineering installations and systems» and under grant MK-6986.2015.8 under the topic «Development of innovative constructional and technological solutions on lining of vertical shafts in mines».
REFERENCES
1. Stradanchenko S. G., Maslennikov S. A., Shinkar' D. I. Izvestiya vysshikh ucheb-nykh zavedeniy. Gornyy zhurnal, no 2. 2010, pp. 29—32.
2. Maslennikov S. A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2009, no 4, pp. 210-214.
3. Stradanchenko S. G., Maslennikov S. A., Shinkar' D. I. Patent RU 2433269, MPK E21 D 5/11, 10.11.2011.
4. Maslennikov S. A., Merenkova N. V. Patent RU2524082, MPK E21 D 5/11, 27.07.2014.
5. Maslennikov S. A. Patent RU2521105, MPK E21 D 5/11, E21 D 11/00, 27.06.2014.
6. Rukovodstvopoproektirovaniyupodzemnykh gornykh vyrabotok i raschetu krepi. VNI-MI, VNIIOMShS Minugleproma SSSR (Design Guide to Underground Mining and Shaft Lining (SNIP II-94-80 Handbook)), Moscow, Stroyizdat, 1983, 272 p.
