Обоснование рациональных параметров комбинированной чугунно-бетонной крепи вертикальных стволов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

8. Масленников С.А. Перспективы совершенствования двухслойной чугунно-

бетонной крепи вертикальных стволов. Тезисы докладов 2-й междунар. научн.-пр. конф. "Перспективы освоения подземного пространства".

- Д.: Национальный горный университет, 2008.

- С. 37-40.

9. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчёту кре-

пи/ВНИМИ, ВНИИОМШС Минуглепро-ма СССР. - М.: Стройиздат, 1983. - 272 с.

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

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

— Коротко об авторе ---------------------------------------------------------------

Масленников С.А. - ассистент каф. ППГСиСМ, Шахтинский институт (филиал) Южно -Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), каф. «Подземного, промышленного, гражданского строительства и строительных материалов».

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 18 симпозиума «Неделя горняка-2009». Рецензент д-р техн. наук, проф. Е.В. Кузьмин.

---------------------------------------- © С.А. Масленников, 2009

УДК 622.28

С.А. Масленников

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННОЙ ЧУГУННО-БЕТОННОЙ КРЕПИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ

Семинар № 18

'П связи с усложнением усло-вий X-# проходки вертикальных стволов в последние десятилетия всё более широкое применение находят многослойные крепи. В частности в сложных горно-

геологических условиях при проходке по слабым, несвязным породам, при наличии высоконапор-ных подземных вод широко применяют один из видов комбинирован-

ных кре-пей - чугунно-бетонную. Из последних, наиболее крупных проектов, в которых использовали данный тип крепи, нужно упомянуть строительство 5 стволов по заказу компании «Алроса» на двух руд-никах «Мир» и «Удачный», самого глу-бокого в Евразии (1865 м.) ствола ВС-7 рудника «Таймырский», вертикального ствола ш. «Северная вентиляционная

№2». (1) В таблице приведены характеристики нескольких из упомянутых стволов.

Анализ современного опыта строительства стволов закрепляемых комбинацией чугунных тюбингов и бетона позволил выделить ряд специфических особенностей существенно влияющих на характер работы такой крепи. Важнейшие из них приведены ниже.

1. Применяемая технология, в рамках которой спуск бетонной смеси выполняют по трубопроводам, а уклад-ку производят через отверстия в тю-бингах, накладывает ограничения на её состав, которые отрицательно влияют на деформационные характеристики бетона.

2. Бетон, находящийся между породой и чугуном, работает в условиях объёмного напряжённого состояния, при этом предел допустимых напря-жений повышается в несколько раз.

3. Под воздействием длительно действующей нагрузки в условиях объёмного напряжённого состояния бетон проявляет реологические свойства, значительно изменяя показатели, замеренные при мгновенном нагружении.

Рассмотрим подробнее первый пункт. Для предотвращения возникно-вения заторов в трубопроводе и отверстии для укладки, а также лучшего рас-текания, бетон, укладываемый в затюбинговое пространство, должен иметь подвижность смеси не менее 11 см, с увеличением по

мере роста глубины. Кроме этого по тем же причинам круп-ный заполнитель вводят с максималь-ными размерами фракций не более 20 мм. Проводившиеся исследования по-казали, что такой бетон обладает по-ниженным модулем упругости, а это приводит к нерациональному распределению нагрузок между слоями и, в общем, неэффективной работе многослойной крепи.

Рассмотрим данное положение бо-лее подробно. Как известно модуль упругости характеризует соотношение приложенной нагрузки к величине вызванной деформации. Т. е. чем большую нагрузку необходимо приложить для деформации материала, тем большим модулем упругости он обла-дает. Как следствие этого при равной величине деформации наибольший отпор даёт высокомодульный матери-ал, т. е. при условии равенства де-формаций в многослойной крепи он будет воспринимать большую долю нагрузки. В двухслойной чугунно-бетонной крепи таким материалом является чугун, имеющий модуль уп-ругости до 10 раз больше чем бетон.

Проиллюстрируем данное утверждение на примере. Расчёт будем производить по ме-тодике рекомендуемой приложени-ем к СНиП 2-94-80 (4), перечисленные выше особенности работы чу-гунно-бетонной крепи удалось коли-чественно охарактеризовать,

опира-ясь на исследования, посвящённые механическим свойствам бетона (в частности 2,3), за исходные взяты условия проходки

Рис. 1. Зависимость изменения относительных напряжений в двухслойной чугунно-бетонной

, 0(0 \

крепи ( ^ ) при росте эквивалентные напряжений (Реу) скипового ствола рудника

Характеристики стволов

Рудник, шахта «Удачный» «Мир» «Северная вентиляционная №2»

Назначение ствола вентиляционно- вспомогательный скиповой вентиляционный

Проектная глубина, м 1090,5 1037,0 1285,5

Диаметр ствола в свету, м Сечение ствола: 8,0 8,0 7,5

в свету, м2 50,24 50,24 44,1

в проходке, м2 63,6 от 63,6 - до 78,5 51,5

Крепь ствола Чугунные тюбинги, бетон чугунные тюбинги, бетон чугунные тюбинги, бетон

Схема проходки совмещённая совмещённая совмещённая

«Мир». Результаты пред-ставлены на рис 1.

Ряд 1 - рост относительных напряжений (%) на внутренней стороне внутренних рёбер чугунных тюбингов.

Ряд 2 - рост относительных напряжений (%) на внутренней поверхности слоя бетона.

Как видим с ростом нагрузки на крепь напряжения в бетоне и чугуне линейно нарастают, при этом наибо-лее благоприятное распределение напряжений достигается при величи-не эквивалентных напряжений менее 1,5 МПа и величине относительных менее 15% от предельных. При дос-тижении напряжениями, в рёбрах тю-бингов, предельных

°т

значений (при Рщ и 10,2, —— и 100%)

^ Яса)

использование несущей способности бетона составляет менее 50%

(при Р и 1°,2,

(4)

я

¡48,4%). Таким

Ьа (4)

образом можно сделать вывод о неэффективности работы бетона, несущая способность которого используется не в полной мере, а рациональный режим работы крепь достигает при низких на-пряже-ниях (менее 15% от предельных).

Данный вывод подтверждается и фактическими данными. При разрушении чугунно-бетонной крепи вентиляционного стола рудника «Пийло»,

после разборки деформированных колец, было выявлено, что бетонная часть крепи не разрушилась, т. е. на момент достижения напряжениями в чугуне тюбингов предельных значе-ний, напряжения в бетоне были до-пустимыми, причём разрушения не произошло даже при выходе из со-стояния объёмного сжатия. А учиты-вая, что объёмная прочность для бе-тона в 3-4 раза выше прочности при одноосном сжатии, становится ясно, вывод, к которому пришли расчётным путём, о недостаточном использова-нии несущей способности бетона в чугуннобетонной крепи, подтвер-ждается. Из сказанного выше следует, что для устранения указанного недос-татка необходимо изменить сущест-вующую практику и использовать в чугунно-бетонной крепи бетоны не с пониженным, в силу технологических особенностей возведения, а с повы-шенным модулем деформации.

Для этого существует две возможности: использование бетонов с более высоким классом по прочности или тех же по прочности, но с повышенным модулем деформации. В последнем случае указанное свойство проще всего варьировать за счёт изменения жёсткости/подвижности бетонной смеси и содержания/размера фракций крупного заполнителя. Сразу отметим, что, предлагаемый в последнем

т

случае состав бетона оказывается дешевле использующегося в настоящее время.

С учётом выделенных возможных вариантов решения существующей проблемы для тех же условий, что и в примере выше, был рассмотрен характер нагружения слоёв чугунно-бетонной крепи при применении различных бетонов. Для изучения были выбраны 4 вида: обычный, чаще всего применяемый, бетон класса В20 по прочности; с повышенным модулем упругости В20; используемый при креплении стволов за рубежом бетон класса В40; В40 с повышенным модулем упругости. Для наглядности толщина слоя бетона подобрана таким образом, чтобы несущая способность крепи оставалось примерно одинаковой (разница не более 2,5%). Результат см. рис. 2. ст™ /Я,% .

Ряд 1, 3, 5, 7 - изменение напряжений на внутренней поверхности рёбер тюбингов, соответственно при слое бетона толщиной 0,5 м, В20, толщиной 0,3 м, В40, толщиной 0,3 м, В20, Еб = 37500 МПа, толщиной 0,2 м, В40, Еб =45500 МПа.

Ряд 2, 4, 6, 8 - изменение напряжений на внутренней стороне слоя бетона, соответственно при слое толщиной 0,5 м, В20, толщиной 0,3 м, В40, толщиной 0,3

Рис. 2. Распределение напряжений в чугунно-бетон-ной крепи в зависимости от класса бетона и толщины слоя

м, В20, Еб =37500 МПа, толщиной 0,2 м, В40,

Е6 =45500 МПа.

Как видим из графиков примене-ние высокопрочных бетонов (ряд 3-4) либо того же класса по прочности, но с повышенным модулем деформации (ряд 5-6) позволяет снизить толщину крепи при сохранении несущей спо-собности. При этом в последнем слу-чае достигается более рациональное распределение напряжений между

СТ"

слоями, для бетона это —— » 65,5%

Яа(4)

при достижении предельного состояния чугуном, в рёбрах тюбингов. Срав-нивая по аналогии, видим, что исполь-зование высокопрочного бетона при-водит к снижению относительного загружения до СТ(4)

—— = 41,4%, т.е. мате-риал использует-

Яа(4)

ся менее эффективно.

В общем, по результатам проведённых исследований можно заключить:

1. При существующих парамет-рах чугунно-бетонных крепей бетон используется неэффективно.

2. Применение более прочных или с повышенным модулем деформации бетонов обеспечивает повышение несущей способности крепи в целом.

3. Повышение модуля деформа-ции бетонов, с точки зрения эффек-тивности использования материалов, Ра-циональнее добиваться использованием более жёстких смесей и повышением размеров крупного заполнителя, а не бо-лее прочных бетонов.

4. Толщину затюбингового слоя при использовании высокомодульных

бетонов можно сокращать, по сравнению с обычным бетоном того же класса по прочности, без снижения несущей способности крепи.

5. Применение высокомодульных бетонов в чугунно-бетонной крепи приводит к более благоприятному распределению напряжений между слоями и, как следствие, к повышению несущей способности крепи.

1. Масленников С.А. Состояние и перспек-

тивы строительства вертикальных стволов в Российской Федерации. // Перспективы развития Восточного Дон-басса. Часть 1: сб. науч

тр./Шахтинский институт (филиал) ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2008. - с. 174 - 191.

2. Grübl P.; Weigler H., Sieghart K. Beton. Arten, Herstellung und Eigenschaften. Berlin:

6. Использование в комбинированной крепи бетонов класса выше В20 по прочности может быть при-знано рациональным только в стволах проходимых способом заморажива-ния, где решающее значение, при снижении толщины слоя, приобретает скорость твердения.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Ernst&Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH, 2001. - 789 S.

3. Weber R. Guter Beton: Ratschläge für die richtige Betonherstellung. Düsseldorf: Verlag Bau+Technik GmbH, 2006. - 150 S.

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

— Коротко об авторе ---------------------------------------------------------------

Масленников С.А. - ассистент каф. ППГСиСМ, Шахтинский институт (филиал) Южно -Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), каф. «Подземного, промышленного, гражданского строительства и строительных материалов».

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 18 симпозиума «Неделя горняка-2009». Рецензент д-р техн. наук, проф. Е.В. Кузьмин.