CC BY
52
УДК 622.28
И.И. Савин, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
B.А. Свиридкин, асп. ТулГУ, (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ),
C.Б. Лукашин, асп., (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ)
ДИАГНОСТИКА КРЕПИ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ И ЗАКОНСЕРВИРОВАННЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ
Рассматривается методологический подход к оценке фактического состояния эксплуатируемых и законсервированных вертикальных шахтных стволов путем измерения компонентов напряженно-деформированного состояния крепи с последующим расчетом крепи в обратной постановке с применением экспериментально-аналитических методов расчета.
Ключевые слова: ствол, крепь, напряжения, деформации, измерения, обработка, диагностика.
Ведущие отечественные и зарубежные ученые признают, что социально-экономическое развитие и роль России в мировом сообществе в настоящее время и перспективе определяется ее минерально-сырьевым потенциалом и государственной стратегией его использования. Однако кризисное состояние экономики переходного периода проявилось в существенном спаде производства и внутреннего потребления практически всех видов стратегического сырья и его первичной продукции. Добыча нефти, угля, выпуск стали, алюминия, никеля, свинца, цветных и драгоценных металлов, алмазов, фосфатов и калийных солей сократилась в 90-е годы до критического уровня - на 30...70 %, а редких и редкоземельных минералов - на 90.100 %. Положение усугубилось крайне недостаточным, а по большинству видов сырья полным отсутствием создания новых и свертыванием целого ряда строящихся и действующих горнодобывающих предприятий.
Начало стабилизации экономики в настоящее время объясняет возрастание потребностей в минеральном сырье. Это приводит к необходимости увеличения существующих производственных мощностей, вводу в действие законсервированных и строительству новых горнодобывающих предприятий.
Наиболее ответственными сооружениями горных предприятий являются шахтные стволы, срок эксплуатации которых в среднем колеблется от 40 до 80 лет. Надёжность вертикальных шахтных стволов в основном определяется надёжностью их крепи. Основным крепёжным материалом рассматриваемых выработок в первую очередь является монолитный бетон, монолитный и сборно-монолитный железобетон, чугунные тюбинги. Однако следует учесть тот факт, что чугунная тюбинговая крепь, обладая
высокой несущей способностью, имеет очень высокую стоимость и применяется в основном для стволов, эксплуатируемых в сложных горногеологических условиях. Железобетонные конструкции вертикальных шахтных стволов также имеют ограниченную область применения. Это обусловлено в первую очередь тем, что первостепенное значение на разрушение шахтных крепей оказывает воздействие активной водной среды. Как отмечено в работе [1], если для поверхностных сооружений процесс воздействия водной среды носит поверхностный характер, т.е. поражение конструкций из бетона и железобетона происходит только в зоне намокания и воздействия углекислой среды, то для подземных сооружений при полном намокании конструкций этот процесс имеет объёмный характер.
При вводе в эксплуатацию законсервированных сооружений основная проблема возникает в оценке фактического напряженно-деформированного состояния вводимых в эксплуатацию сооружений, их работоспособности и надёжности. Фактическое состояние расконсервируемых стволов может быть определено только при диагностике состояния их крепи.
Кроме того, для стволов, имеющих длительный срок эксплуатации, актуальным является установление фактического напряженно-деформированного состояния крепи при отсутствии какой-либо измерительной системы в стволе, что является характерным для большинства стволов.
Современная диагностика, проводимая на объектах, может и должна обеспечить поддержание сооружения в проектном периоде эксплуатации с минимально необходимыми затратами, а также планирование средств для выполнения работ, направленных на улучшение состояния сооружения.
В настоящее время разработаны мероприятия, направленные на решение проблем диагностики строительных конструкций тоннелей инженерных коммуникаций [1, 2]. Как отмечают авторы, при диагностике состояния конструкций первоочередными задачами являются следующие:
- предварительный внешний осмотр обследуемого участка крепи. Цель предварительного обследования заключается в получении необходимых данных о состоянии конструкции в целом и выявлении дефектных участков (сколов, раковин, обнажения арматуры, отслоения защитного слоя, трещин на поверхности бетона и др.);
- оценка соответствия проектных данных результатам натурных обмеров (определение геометрических размеров конструкции крепи);
- определение упругих и прочностных характеристик материалов и грунтов;
- определение водо- и газопроницаемости материалов, коррозийной активности бетона;
- контроль изменения влажности, пористости, плотности и других свойств материалов;
- контроль качества работ и некоторые другие показатели.
Не умаляя значимости предлагаемых мероприятий, следует заметить, что указанные выше задачи диагностики дают возможность определить фактические прочностные и деформационные характеристики материалов подземных конструкций, но не дают фактической информации о напряжениях и деформациях в элементах конструкций. То есть, зная фактические прочностные характеристики материалов и не зная напряжений в элементах конструкций, невозможно сделать достоверный вывод о работоспособности конструкции в целом. Указанная проблема может быть устранена путём натурных измерений компонентов напряжённо-деформированного состояния элементов конструкции. На сегодняшний день разработаны и используются методы неразрушающего контроля крепи вертикальных стволов. Поскольку натурные измерения являются относительно трудоёмкими и дорогостоящими, основные проблемы при выборе подходящего метода измерения можно свести к следующим:
1) установление измеряемой величины, необходимой для регистрации (информативность регистрируемой величины);
2) определение условий окружающей среды для проведения измерений (возможность получения достоверной информации);
3) необходимое число мест измерений в конструкции и их доступность (минимум пунктов измерения при максимуме получаемой информации);
4) методы обработки и реализации результатов измерений.
Решение указанных проблем в первую очередь предусматривает
постановку и решение задачи геомеханического обоснования выполнения диагностических мероприятий с целью выявления участков ствола, находящихся в наиболее критическом состоянии.
Вторая задача, решение которой не менее актуально, связана с разработкой метода обработки и реализации результатов измерений, носящих комплексный характер. Проблема заключается в том, что при диагностике измеряются разнородные величины, количество результатов измерения ограничено, а получить необходимо максимально возможную информацию.
Для решения перечисленных проблем следует применять информационные методы для обоснования количества и расположения пунктов измерения, а также современные методы обработки результатов натурных измерений, базирующиеся на решениях обратных задач механики подземных сооружений [3, 4]. Для оценки фактического напряженно-деформированного состояния крепи вертикальных шахтных стволов наиболее приемлемыми являются экспериментально-аналитические методы расчета [4].
Экспериментально-аналитический метод расчета является обратным по отношению к обычному методу расчета крепи и базируется на ре-
шениях плоских контактных задач математической теории упругости в обратной постановке. Действительно, при обычном методе расчета в качестве исходных данных заданы параметры начального поля напряжений в массиве, а определяются характеристики напряженно-деформированного состояния крепи. В данном же случае исходными являются результаты измерений произвольных характеристик напряженно-деформированного состояния (напряжений, деформаций или перемещений) элементов крепи, а определению подлежат, кроме недостающих, еще и параметры расчетного начального поля напряжений. Решение обратной задачи позволяет восстановить полную картину напряженно-деформированного состояния крепи ствола с целью оценки надежности, устойчивости конструкции крепи и способов ее упрочнения.
Список литературы
1. Шилин А. А. Проблемы диагностики строительных конструкций// Подземное пространство мира. 1995. № 6. С. 16-21.
2. Шилин А.А., Павлов О.Н., Кириленко А.М. Прогнозирование эксплуатационных характеристик и проектирование долговечности конструкций тоннелей инженерных коммуникаций // Проблемы освоения подземного пространства: труды международной конф. 5-7 апреля 2000 г. Тула, 2000. С. 188-191.
3. N.S. Bulychev [et al.]. Theoretical aspects of monitoring and back analysis in tunnel. // AITES-ITA 2000 World Tunnel Congress. Durban, South African Institute of Mining and Metallurgy, 2000. P. 73-78.
4. Савин И. И. Разработка информационной системы мониторинга в вертикальных шахтных стволах на основе решения обратных задач механики подземных сооружений: дис. ... д-ра техн. наук. Тула, 1998. 256 с.
I.I. Savin, V.A. Sviridcin, S.B. Lukashin
TROUBLESHOOTING LINING OF EXPLOITED AND ABANDONED VERTICAL
SHAFTS
Methodical approaching evaluating real condition of exploited and abandoned vertical shafts with using measurements mode of deformation of lining and calculating one by experimental-analytical calculation method.
Key words: shaft, lining, stress, deformation, measurement, processing, troubleshooting.
Получено 10.05.12
УДК 622.28
И.И. Савин, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41, [email protected]
