CC BY
57
Список литературы
1. В.Р. Именитов. Технология, механизация и организация производственных процессов при подземной разработке рудных месторождений. М. Недра, 1973. 459 с.
2. Указания по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам. Апатиты-Кировск, 2002.
3. Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов. Справочное пособие /И.М. Петухов и [др.]. М.: Недра, 1992. 256 с.
4. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.:Наука, 1975.
576 с.
D.V. Sidorov
GEOMECHANICAL SUBSTANTIATION OF PILLARS SAFE PARAMETERS IN AREA OF HIGH ROCK PRESSURE
An engineering method of calculating the parameters of the pillars with the influence of sewage treatment works in underground mining is developed. The safety parameters of pillars made for geological and mining conditions of preparation by preparing bump hazard apatite-nepheline deposits JSC "Apatit".
Key words: methodology, high rock pressure, pillar, parameters.
Получено 20.04.11
УДК 624.191.22
И.К. Супрун, асп., 8(812)328-8625, igor suprun@mail.ru,
А.Г. Протосеня, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой,
8(812)328-8626, kaf-sgp@mail.ru (Россия, Санкт-Петербург, СПГГУ)
ПРОГНОЗ ПРОСТРАНСТВЕННОГО НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВОГО МАССИВА В ПРИЗАБОЙНОЙ ЧАСТИ ПРИ ПРОХОДКЕ ТОННЕЛЕЙ С ПРИГРУЗОМ ЗАБОЯ
Приводится анализ упрочняющего эффекта в призабойной зоне при механизированной проходке подземных сооружений тоннелепроходческими механизированными комплексами с пригрузом забоя. Методом конечных элементов получен ряд графических зависимостей, отражающих процессы развития смещений предложена оптимальная величина пригруза забоя по заданным предельно допустимым осадкам земной поверхности. Установлено влияние основных прочностных показателей теории прочности Кулона - Мора на устойчивость забоя тоннеля и необходимую величину пригруза.
Ключевые слова: тоннель, смещение, деформация, напряжения, осадки поверхности, размыв.
Подземное пространство Санкт-Петербурга имеет сложное геологическое и гидрогеологическое строение. На устойчивость подземных со-
оружений оказывают влияние тектоника, физико-механические свойства грунтов, величина и закономерности распределения нагрузок и характер их взаимодействия с окружающим массивом.
В настоящее время, как правило, при строительстве подземных сооружений в сложных гидрогеологических и градостроительных условиях используют тоннелепроходческие механизированные комплексы (ТПМК) с различными видами пригруза забоя [1].
Преимуществом технологии строительства с применением ТМПК с пригрузом является возможность избежать потери устойчивости забоя в процессе проходки за счет его постоянного подпора силой пригруза (грун-топригруз, гидропригруз, пенопригруз). При правильном выборе усилия пригруза можно добиться полной компенсации смещений плоскости забоя внутрь выработки, что позволит избежать осадок на поверхности, т.е. позволит создать практически безосадочную технологию строительства.
Проходка с использованием ТПМК с пригрузом забоя позволяет получить высокие скорости проходки при строительстве в сложных горногеологических и гидрогеологических условиях за счет высокой степени механизации труда проходчиков.
Некоторые вопросы пространственного моделирования геомехани-ческих процессов при строительстве тоннелей с применением ТПМК рассмотрены в работах [2, 3].
Для исследования влияния усилия пригруза забоя на напряженно-деформированное состояние массива была выполнена математическая модель участка породного массива, вмещающего тупиковую выработку кругового очертания, закрепленную бетонной крепью, а в головной части -оболочкой ТПМК. Отставание крепи от забоя составило 1 м. Незакрепленный участок выработки и плоскость забоя оставлялись либо свободно деформируемыми, либо подвергались пригрузу с различным усилием.
Моделирование пригруза выполнялось равномерно распределенной нагрузкой, приложенной непосредственно к плоскости забоя и к стенкам тоннеля на участке между этой плоскостью и оболочкой ТПМК.
Принципиальная расчетная схема представлена на рис. 1. Согласно расчетной схеме в модели создавалось начальное неравнокомпонентное поле напряжений под действием собственного веса породного массива. При моделировании диаметр выработки тоннеля впроходке принимался равным 7,1 м, а глубина его заложения - 50 м. Выбор именно таких параметров проходки обусловлен тем, что результаты моделирования в последующем сравниваются с натурными данными, полученными при проведении перегонных тоннелей метрополитена г. Санкт-Петербурга на участке между станциями «Лесная» - «Площадь Мужества».
шп
Рис. 1. Принципиальнаярасчетная схема
Анализируемая конечно-элементная модель представлена на рис. 2. Размеры модели в направлении осей х и у превышают размеры выработки в 7 раз. Задача решалась в объемной постановке. Боковые и торцевые грани модели закреплены от перемещений в направлении осей х и х соответственно. Нижняя грань модели закреплена от перемещений в направлении оси у. Верхняя грань модели оставлена свободно деформируемой.
Рис. 2. Фрагмент конечно-элементной модели
Решение задачи выполнялось в упругопластической постановке. Для учета влияния прочностных и деформационных свойств пород, слагающих массив, и параметров пригруза забоя при проведении выработки на смещения массива в ходе решения поставленной задачи вычислялось начальное поле напряжений и исторических смещений в нетронутом массиве под действием собственного веса при граничных условиях, приведенных выше.
Прочностные и деформационные характеристики грунтового массива, которые были использованы при моделировании, представлены в таблице. Характеристики в данной таблице соответствуют физикомеханическим характеристикам грунтов, в которых проводилось строительство перегонных тоннелей на участке между станциями «Лесная» и «Площадь Мужества» Санкт-Петербургского метрополитена.
При выполнении математического моделирования величина пригруза забоя q изменялась в пределах от 0,1 до 1 МПа. Она представлена в долях: уН (у - удельный вес грунта, кН/м ; Н - глубина заложения выработки, м).
На первом этапе моделирования был получен ряд графических зависимостей вертикальных и продольных смещений от величины пригруза при фиксированных прочностных и деформационных характеристиках грунтов.
По результатам математического моделирования был построен ряд графических зависимостей продольных смещений массива пород непосредственно за плоскостью забоя. Направление, для которого производились вычисления вышеуказанных смещений, совпадает с направлением оси тоннеля от забоя в глубь грунтового массива горных пород.
Прочностные и деформационныехарактеристики грунтоеогомассиеа
№ п/п Показатель Единица измерения Значение
1 Удельный вес кН/м3 23,54
2 Модуль общей деформации МПа 50
3 Коэффициент поперечной деформации 0,35
4 Угол внутреннего трения массива различной степени нарушенное™ градусы 9
5 Сцепление массива различной степени нарушенности МПа 0,05
На рис. 3 представлено семейство кривых из вышеназванного ряда графических зависимостей для условий строительства перегонных тоннелей на участке между станциями «Лесная» и «Площадь Мужества» Санкт-Петербургского метрополитена. На графике представлены лишь случаи, при которых на призабойном участке уже действует пригруз забоя с определенным давлением в зависимости от варианта. При этом случай, при ко-
тором проходка тоннеля осуществляется без пригруза, на графике не представлен, т.к. в этом случае плоскость забоя является неустойчивой, что приводит к образованию вывалов (продольные же смещения в данном случае достигают величин 4.. .4,5 м).
По представленной выше графической зависимости можно сказать, что применение даже незначительного пригруза - порядка 0,15уН позволяет сохранить плоскость забоя в устойчивом состоянии. Однако в этом случае продольные смещения этой плоскости будут весьма значительными -более 700 мм. Наибольший эффект от увеличения пригруза достигается при давлении до 0,3уН. Дальнейшее увеличение давления пригруза не дает значительного уменьшения продольных смещений.
На рис. 4 представлено семейство кривых, выражающих зависимость вертикальных смещений породного массива на расстоянии 1,5 м от плоскости забоя тоннеля от расстояния до шелыги свода тоннеля. Расстояние в 1,5 м от плоскости забоя до рассматриваемого направления выбрано опытным путем с тем расчетом, что на этом направлении вертикальные смещения пород имеют максимальные значения на поверхности модели. Представленные графические зависимости также строились для условий строительства перегонного тоннеля метрополитена на том же участке.
На рис. 4, как и на рис. 3, не представлен случай проходки без использования пригруза, при котором плоскость забоя является неустойчивой (при этом в результате возникновения вывала осадка поверхности составляет порядка 1500 мм).
Расстояние от плоскости мбоя вьцмботки, м
Рис. 3. Графики зависимости величины продольных смещений массива от расстояния до плоскости забоя (1 - д=0,1 уИ; 2 - д=0,16 уИ;
3 - д=0,21 уИ; 4 - д=0,31 уИ; 5 - д=0,37 уИ; 6 - д=0,42 уИ)
35
Рис. 4. Графики зависимости вертикальных смещений массива нарасстоянии 1,5 мот плоскости забоя от расстояния до шелыги свода тоннеля (1 - д=0,1 уИ; 2 - д=0,16 уИ; 3 - д=0,21 уИ; 4 - д=0,31 уИ;
5 - д=0,37 уИ; 6 - д=0,42 уИ)
По представленной выше графической зависимости можно сказать, что значения давления пригруза забоя менее 0,40 уН хоть и позволяют достичь устойчивого состояния забоя, но их применение не предотвращает развитие значительных вертикальных смещений массива, которые в дальнейшем реализуются в виде значительных осадок поверхности, что является недопустимым при строительстве в условиях плотной городской застройки. Вид полученных кривых позволяет судить о том, что вертикальные осадки грунта на расстоянии более 35...40 м от шелыги свода тоннеля изменяются незначительно. Следовательно, можно сказать, что оседание поверхности будет незначительно отличаться от вертикальных смещений на расстоянии 40 м от шелыги свода тоннеля. Таким образом, в рассмотренных при моделировании условиях наиболее целесообразно использовать давление пригруза более 0,40 уН с целью минимизации осадки поверхности.
По результатам анализа полученных в ходе моделирования данных была составлена диаграмма, представленная на рис. 5. При построении этой диаграммы для грунта принимались следующие прочностные характеристики: ф=7° и С=50 кПа. По этой диаграмме в рамках рассмотренного случая можно по заданным допустимым величинам вертикальной осадки поверхности определить величину продольного смещения плоскости забоя внутрь тоннеля и определить необходимую величину пригруза забоя. Из диаграммы видно, что величины вертикальных осадок поверхности, мень-
шие предельно допустимых, достигаются только при величинах пригруза порядка 0,35 уИ.
135
120
“105
| 90 £
5Г -гс ей /5 © с
:2 60 'С
5 45
30
К 1?
” II СО
0.
-15
\ 1 1 Л Л
V U \v
■ V V
V V V \|
\\ \ \
\\ -2
\ ч \\ \ч \ч
1 1 1 1 / / !/ 2601
^1 4
о о О О >0 °’36 0. О о ¡0 0І j
2250
2000
1750
1500 £
1250 3 Є
1000 а
Я
а
750 в
500
Величина пригруза, 7ЇІ
250
-250
с\
о
X
Рис. 5. Диаграмма зависимости продольных смещений по оси тоннеля за лбом забоя и вертикальных смещений земной поверхности от величины пригруза (1 - вертикальные осадки поверхности;
2 - продольные смещения лба забоя)
При этом величина продольных смещений плоскости забоя внутрь тоннеля составляет не более 0,18 м. Достижение полностью безосадочной технологии возможно при величине пригруза порядка 0,38...0,4 уИ. Стоит отметить, что при нулевых вертикальных смещениях на земной поверхности смещение плоскости забоя все же будет иметь место и составит порядка 100 мм. При величинах пригруза более 0,42 уИ на поверхности будет наблюдаться выпирание грунта, что является крайне нежелательным процессом.
Для проверки адекватности методики прогноза перемещений при строительстве тоннелей в сложных горно-геологических и гидрогеологических условиях были использованы результаты маркшейдерских наблюдений при пересечении зоны «Размыв» в городе Санкт-Петербурге [4].
Список литературы
1. Выбор тоннелепроходческих механизированных комплексов с активным пригрузом забоя при строительстве тоннелей в сложных инженерно-геологических и градостроительных условиях. М.:000 «ТА Инжиниринг», 2004. С. 94
2. Гарбер В.А., Кашко A.A., Панфилов Д.В. Пространственное моделирование при строительстве транспортных тоннелей//Метро и тоннели. 2004. №5. С. 46-48.
3. Исследование пространственного напряженно-деформированного состояния обделки наклонного хода станции метрополитена глубокого заложения/ А.Г. Протосеня и [др.] // Труды 8-й Научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». Воркута, 2010. Т. 1. С. 133-137.
4. Козин Е.Г., Савков Б.М., Хуцкий В.П. Исследование процесса сдвижения земной поверхности на участке между станциями «Лесная» и «Площадь Мужества» в Санкт-Петербурге//Метро и тоннели. 2006. №4. С. 32-35.
I.K. Suprun, A.G. Protosenya
SPATIAL PREDICTION OF STRESS-STRAINSTATE SOIL MASS IN THE BOTTOM HOLE IS OFTEN THE CASE WITH TUNNELING CONTLEDGE OF THE FACE The analysis of reinforcing effect, which appears during the process of the drilling of tunnels with using of contledge of the face which applied in tunnel boring machines, is ad-duced.By applying of the finite-elements method the family of graphical relations, which reflects the processes of the development of displacements, is approached. For the reason of analysis of these relations the optimal value of contledge of the face if maximum permissible displacements of the earth surface are known have been suggested.The influence of the main strength characteristics of Couloumb-Mohrs’s theory of strength on stability of the face of the tunnel and the necessary value of contledge of the tunnel’s face are defined.
Key words: tunnel, contledge, displacement, strain, stress, earth’s surface yielding,
scour.
Получено 20.04.11
УДК 622.341:624.137.2
Б.А. Храмцов, канд. техн. наук, доц., 8(4722)-301161, khramtsov@bsu.edu.ru,
А.А. Ростовцева, канд. техн. наук, ст. преп., 8-(4722)-301161, rostovtseva@bsu.edu.ru,
О.А. Рыбка, асп., 8(4722)-301161 oksana rybka@mail.ru
(Россия, Белгород, Белгородский гос. нац. исслед. университет)
УПРАВЛЕНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ ОТКОСОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КМА
Разработан аналитический метод расчета коэффициента запаса устойчивости откосов, построены графики, позволяющие определить предельные параметры откосов сучетом их геомеханического состояния.
Ключевые слова: геомеханическое состояние откоса, предельно допустимые параметры откоса, обрушение, призмы, оползень, коэффициентзапаса устойчивости, физико-механические свойства пород, высота откоса.
В настоящее время при разработке железорудных месторождений Курской магнитной аномалии наблюдается увеличение добычи железной
