Расчет величины давления подземных вод на крепь с управляемым режимом работы Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

- © С.А. Масленников, Д.И. Шинкарь,

2013

УДК 522.272

С.А. Масленников, Д.И. Шинкарь

РАСЧЕТ ВЕЛИЧИНЫ ДАВЛЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД НА КРЕПЬ С УПРАВЛЯЕМЫМ РЕЖИМОМ РАБОТЫ

Рассмотрены закономерности формирования напряжений в многослойной крепи с внутренним фильтрующим слоем от гидростатического давления. Приведены полученные зависимости для определения величины давления подземных вод на крепь с управляемым режимом работы

Ключевые слова: комбинированная крепь, вертикальный ствол, горное давление, гидростатическое давление.

Усложнение условий строительства вертикальных стволов, а также ужесточение требований заказчиков к их надежности привело к более широкому использованию при креплении чугунных тюбингов. В последние годы этот тип крепи был использован при строительстве вентиляционных стволов на рудниках «Таймырский» и «Скалистый» ГМК Норильский Никель, пяти стволов на рудниках «Мир» и «Удачный» компании «Алроса», ствола шахты «Северная Вентиляционная №2» Гайского ГОКа, скипового и клетевого стволов на Гремячинском месторождении калийных солей компании ОАО «Еврохим», двух стволов пятого калийного рудника ОАО «Уралкалий».

За рубежом чугунные тюбинги ранее имели широкое применение. Но на новейшем этапе данный тип крепи потерял своё былое значение и применяется редко, а за последние 20-25 лет - примеров его использования не отмечено. Это обусловлено повышением требований к водонепроницаемости, а также малой податливостью чугунно-бетонной крепи. Наличие большого количества швов не позволяет выполнить их достаточно качественную гидроизоляцию и приводит к наличию остаточного водопритока, а, например, в воздухоподаю-щих стволах периодические колебания температуры имеют следствием «раскрытие» швов и значительное ухудшение водонепроницаемости.

За рубежом на смену чугунным тюбингам пришли сталебетонные крепи. Например, крепь со слоем скольжения, или внутренняя стальная оболочка с заполнением закрепного пространства цементно-песчаным раствором.

Значительный опыт эксплуатации стволов закрепленных чугунными тюбингами в России также выявил ряд недостатков, важнейшие из которых - высокая стоимость, нерациональное использование материалов, невозможность обеспечения полной гидроизоляции. С ростом объёмов строительства стволов с чу-гунно-бетонной крепью перечисленные недостатки ведут ко всё более негативным последствиям. Это заставляет искать новые способы надёжного и экономически эффективного поддержания вертикальных стволов.

В трудах специалистов ЗАО «ВНИИ Галургии», занимающихся проектированием калийных рудников, авторы приходят к выводу о том, что «.. .возможности совершенствования тюбинговой крепи практически исчерпаны, что обусловливает необходимость перехода на сплошные (сталебетонные) крепи».

Президент ОШК «Союзспецстрой» Паланкоев И.М. делает вывод о перспективности применения сталебетонной крепи в России, а также отмечает, что, необходимы дальнейшие исследования и отмечает, что «перспективы повышения эффективности крепления глубоких стволов прежде всего, связаны ... с переходом к инновационным технологиям крепления, основанным на комплексном учете влияющих факторов и условий».

Но традиционные подходы к проектированию крепей оставляют только путь дальнейшего роста несущей способности и материалоемкости. Существующие методы расчета предполагают восприятие давления воды водонепроницаемым слоем, давления пород - слоем бетона. Т.е. крепь не работает как единая конструкция.

Возможным выходом является включение в работу и максимальное использование несущей способности вмещающего массива и зоны искусственно упрочненных пород. С увеличением глубины отработки отмечается тенденция повышения прочности и устойчивости массива. В предыдущих работах авторами была предложена конструкция крепи с регулируемым режимом работы [1,2]. Открытым оставался вопрос о расчете напряжений возникающих в такой крепи, предлагаемая методика расчета изложена ниже.

В основу расчета положена методика, рекомендованная в [3] и детально разработанная Булычёвым Н.С. [4].

Давление подземных вод РГ на фильтрующую крепь при наличии 2-3 слоев (крепь - затампонированные породы - породы) может быть определено по формуле, приводимой в [3]. Для расчета многослойной крепи (4-5 слоев) с ненулевым коэффициентом фильтрации внутреннего слоя стали требуется внесение изменений. Анализируя зависимость (16) [3], можно заключить:

1. Давление подземных вод при их фильтрации через многослойное кольцо распределяется между каждым из составляющих слоев пропорционально его геометрическим и фильтрационным характеристикам.

Т.е. при двухслойном кольце Р - Р + Р

1 Гобщ Г1 Г2 >

при трехслойном кольце Р = Р + Р + Р

1 Гобщ Г1 Г2 Г3>

где РГ1,РГ2,РГ3 - давление, воспринимаемое 1, 2, 3-м слоем.

Здесь и далее обозначения те же, что и в [3]).

Из положения 2 заключаем: если рассмотреть трехслойное и двухслойные кольца с идентичными фильтрационными характеристиками слоев 1 и 1', 3 и 3' (т.е. кфр — кф2 — кф,кП1 — к",2 — к",), для которых выполняется условие

2. Рг — / (к* к ,к1,18-Т ,18 ^

у у у

\ ' П '1 'т /

(

, то нагрузка, воспринимаемая слоем 2 в трехслойном кольце,

перераспределяется в двухслойном между слоями 1' и 3', и при этом сохранится зависимость Р Р'

1 Г1 _ 1 Г1

Р Р'

1 Г 3 1 Г 3

Принимая также величины Не,уе равными для обоих случаев, составляем систему уравнений, связывающую их показатели:

Р = Р' + Р'

1 Г 1 Г1 ^ Г 3

Рг = РГ 1 + РГ 2 + РГ 3 (1)

Р Р'

1 Г1 = 1 Г1

Р Р'

1 Г 3 1 Г 3

Находя из приведенной системы значение РГ 2 и деля его на РГ1 получаем формулу для нахождения РГ2 в рекуррентном виде:

Р = Р . 1. ^ (2)

Г 2 1 Г1 , 2 V • \ '

П кФ lg Г Г0

Аналогичным образом из приведенной системы уравнений (1) можно получить формулы для определения РГ3, РГ4. Отметим, что при п = 1 значение,

рассчитанное по формуле (2) совпадает со значением, полученным по формуле 5.46, приводимой проф. Булычевым Н.С. [4].

Для общего случая пятислойного кольца (стальная оболочка - слой бетона с повышенными водопроводящими свойствами - слой тяжелого бетона - затам-понированные породы - породы в естественном состоянии) формула для расчета нагрузки от давления подземных вод на первый слой примет вид:

П • Не 'Те ' lg ~

РГ1 =-1-1-Г-1-, кПа. (3)

Г 1 /1 /1 /1 /1 ' ч/

lg < + £ • Ы ^ + к£ • Ы $ + к£ • Ы * + к£ • ^ *

Г0 кф Г1 кф Г2 кф Г3 кф Г4

В данной формуле неизвестным остается коэффициент кф , характеризующий, в нашем случае, проницаемость для воды слоя стали (через регулирующие элементы). Его величина является функцией ряда параметров, и в том числе Рг 1:

кф = Го

Н„

\

-1

Р

г 1 У

ф 1 1 г2 1 1 г3 1 .Г. 1 г5

72 • ^ - + к3 • lg - + к4 • ^ - + кГ • ^ ~

кф Г1 кф Г2 кф Г3 кф Г4

м/сут.

4

Таким образом, мы приходим к циклической ссылке. Для решения возникшего затруднения были введены дополнительные условия (см. рисунок).

Нагрузки на слой стали:

- доля давления от пород передаваемая на слой стали, Рсв

- давление, возникающее на контакте металлической оболочки с бетоном и воспринимаемое связями (анкерами), МПа; рст - сопротивление стали деформациям

Р1 +Рп - Рсв - Рст =0 или

Рп = Рсв + Рст - Р1

где рст примем равным Рсг - критическое значение 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, обозначили его как Рсб. Коэффициент фильтрации слоя обозначили как кф (от нем. 1шад1пдг) и в дальнейшем его

именуем мнимым коэффициентом фильтрации. В этом случае:

к"" -кф -

18 ^ ■

Г

(

\

Рв + Рсг - Р1

-1

1 , К, 1 - К, 1 , гЛ

тг ■ 1§ - + 7Г ■ 1§ - + 7Т ■ 1§--

кФ Г кФ К2 кФ К3

1 К — ■

кф 8 гЛ

м/сут.

(4)

Рсв определяем по формуле:

Рсе - S ■ Я*.

2

где £ - площадь анкеров, приходящаяся на 1 м2 поверхности оболочки, м2; - расчетное сопротивление стали анкеров растяжению, МПа.

Критическое давление Рсг может быть определено в соответствии с принятой схемой расчета и рекомендациями [4] 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 > Ргобш, кф" =0, все давление воды воспринимается внутренней стальной оболочкой, крепь работает как обычная сталебетонная водонепроницаемая крепь, режим работы - неуправляемый, соответственно этому ведется расчет.

2. Рс б < Рг

Гобш,

кф Ф0, давление воды распределено между слоями крепи и

вмещающим породным массивом, доля воспринимаемого слоем давления может быть определена по формулам 1-4, крепь работает в управляемом режиме, рассчитывается как фильтрующая.

Для выделения основных влияющих на искомое значение кф факторов

применялся математический аппарат, используемый для проведения отсеивающего эксперимента [4].

Пределы варьирования отдельных факторов были определены путем анализа нормативной, научно-технической и научной литературы.

Применение сталебетонной крепи с регулируемым режимом работы актуально в сложных горно-геологических условиях, при высоком гидростатиче-

ском давлении и значительном водопритоке, т.е. в породах с коэффициентом

к5 1 Г фильтрации -3 >> 100. В этом случае согласно п. 3.33 [4] члены — • и

кФ кф Г4

-1 • 1%— могут быть приняты равными нулю. Учитывая возросшее качество

кФ Г3

тампонажа, появление новых материалов, примем равным нулю только член,

1 Г

характеризующий естественный массив — • = 0 .

кФ Г4

Корреляционный анализ выявил, что все входящие в формулу (4) факторы являются взаимонезависимыми.

Выполнение расчета показало, что основными влияющими факторами яв-Н 1 з 1 Г 1 г

ляются —- , кф , щ— , щ— , то есть соотношение давления сброса и гидростате Г0 Г2

тического давления в массиве, геометрические, фильтрационные характеристики второго слоя бетона. Геометрическая характеристика слоя стали при расчете мнимого коэффициента фильтрации, хотя и существенно влияет в силу особенностей выбранной математической модели, но не имеет физического смысла, не дает нового знания об объекте исследования и является существенно влияющим фактором исключительно в силу моделирования сброса воды как процесса фильтрации.

С учетом сделанных выводов для наиболее распространенных условий [5], при толщине второго слоя бетона 0,5 м, для радиусов стволов в свету 3; 3,5; 4 м. были разработаны номограммы, позволяющие определить мнимый коэффициент фильтрации слоя стали.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Масленников С.А., Страданченко 3. Руководство по проектированию под-С.Г., Шинкарь Д. И. Конструкция гидро- земных горных выработок и расчёту кре-изолирующей сталебетонной крепи верти- пи/ВНИМИ, ВНИИОМШС Минуглепрома кальных стволов с регулируемым режимом СССР. - М.: Стройиздат. - 1983. - 272 с. работы // Известия высших учебных заве- 4. Булычёв Н.С. Механика подземных дений. Горный журнал. - № 2. - 2010 - С. сооружений. - М: Недра, 1994. - 382 с.

29 - 32. 5. Плешко М.С., Курнаков Б.А. Анализ

2. Пат. 2433269 РФ, МПК Е21 О Кон- нормативной базы и научных исследований струкция крепи вертикальных стволов с ре- в области крепления вертикальных стволов. гулируемым режимом работы / Сстрадан- Направления их дальнейшего развития // ченко С. Г., Масленников С. А., Шин- Горный информационно-аналитический карь Д.И. - Опубл. 10.11.2011. бюллетень. 2011. №4. С. 49-53. ТШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Масленников Станислав Александрович - кандидат технических наук, доцент, Шахтинский институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» (Шахтинский институт (филиал) ЮРГТУ (НПИ)), MaslennikovSA@mail.ru

Шинкарь Денис Игоревич - аспирант, Шахтинский институт (филиал) ФГБОУ ВПО «ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» (Шахтинский институт (филиал) ЮРГТУ (НПИ)), телефон: (8636)222036.