CC BY
22
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 622.4
ДИНАМИКА ДЕФОРМАЦИЙ И НОРМАЛЬНЫХ ТАНГЕНЦИАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В БЕТОННОЙ КРЕПИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ ПРИ ЗАМЕНЕ РАЗРУШЕННЫХ ТЮБИНГОВ
М.В. Грязев, Н.М. Качурин, И.А. Афанасьев, П.П. Стась
Представлены результаты математического моделирования динамики деформаций и нормальных тангенциальных напряжений в бетонной крепи вертикальных стволов при замене разрушенных тюбингов для определения критического периода времени, обеспечивающего безаварийную замену тюбинговых сегментов. Моделирование выполнено с использованием фактических результатов и реальных исходных данных, полученных при строительстве клетевого и скипового стволов Усть-Яйвинского рудника ПАО «Уралкалий».
Ключевые слова: вертикальный ствол, бетонная крепь, тюбинг, замена тюбингов, математическая модель, критический период времени.
В соответствии с классификацией Свода правил СП 91.13330.2012 -«Подземные горные выработки», вертикальные стволы относят к выработкам 1 -го класса. Нарушения нормальной эксплуатации вертикальных стволов приводят к остановке работы предприятия [1 - 4]. Однако на практике возникают ситуации разрушения тюбингов чугунно-бетонной крепи, что приводит к необходимости замены разрушенных тюбинговых сегментов. При этом возникает технологический период, в течение которого горному давлению сопротивляется только слой бетонной крепи. Данная ситуация рассмотрена на практическом примере клетевого и скипового стволов Усть-Яйвинского рудника ПАО «Уралкалий» при замене разрушенных тюбинговых сегментов. Имитационное моделирование динамики деформаций и нормальных тангенциальных напряжений в бетонной крепи клетевого и скипового стволов Усть-Яйвинского рудника ПАО «Уралкалий» при замене разрушенных тюбингов осуществлено методом конечных элементов (МКЭ) [5 - 7].
Рассмотрим процесс разрушения затюбингового бетона при демонтаже одного тюбинга. При вычислительных экспериментах учитывалось горное давление и собственный вес крепи [8 - 10]. При моделировании процесса трещинообразования в бетонной крепи клетьевого ствола №2 для тюбингового кольца №166, обусловленного демонтажем одного тюбинга учитывается поддержка по периметру внутреннего контура открывшегося бетонного слоя крепи тюбингами вышележащих и нижележащих тюбинговых колец, а также правым и левым тюбингами рассматриваемого тюбингового кольца. На рис. 1 - 2 показано распределение нормальных тангенциальных напряжений и максимальные растягивающие напряжения в бетонном слое крепи, внутренняя поверхность которого обнажается при снятии одного тюбинга.
I* 4(*Мс Мгис1иг<|
Г^.г.^тГ Я*»
Рис.1. Нормальные тангенциальные напряжения в бетонном слое крепи клетьевого ствола №2 для тюбингового кольца №166 при демонтаже 1 тюбинга
г»?
Рис. 2. Максимальные растягивающие напряжения в бетонном слое крепи клетьевого ствола №2 для тюбингового кольца №166 при демонтаже 1 тюбинга
Распределение нормальных тангенциальных напряжений в бетонном слое крепи клетьевого ствола №2 для кольца №166 при демонтаже 1 тюбинга наглядно демонстрирует, что максимальные значения достигаются по периметру внутреннего контура в бетонном слое крепи.
Пример моделирования распределения трещин в бетонном слое крепи клетьевого представлен на рис. 3.
сгаскв мо СЯДВНПЮ
С1Е1>1 £Ш =24 ТЛЕ 325107
» к?— и»ч1|Щ1
лгго агент?
5ТЕР=1 ЗШ =24 ТЛЕ=32Ъ707
ЯЮЙ таММБОЯПвК
о С •!■ С с: ^ МвЯМ&моздгз " -!' 'с
^ » 1в и
' 1-ш -ъч-^яввряятьк • •"■ т г- • •
' ИМ-К .§,■..■■ : МЗДЯ**» з-
■* - -".-1 ч^'вкэмсасв^т
!■ «.в
- ■• •■ ' • ■■•^»мхггс
) • я - чц.'р -в .. -
■ -.^о,* .•» ... 1?; (". -У| Л'ЪТг^ТИДуД^ц» дЩЩц,,
да *!,■!•.■ а-'^илт^т^Ш^гшямяяол! № « емлн ЩйаЙКММЫ«»«¡5
I СД*5 «да ш> к г: АД^ЧЭМССУСЗ»1:^^
- г т\ къшлтташйишяйял&мюляе
Вид сверху
Поперечный разрез
Рис. 3. Образование трещин в бетонном слое крепи клетьевого ствола №2 для тюбингового кольца №166 при демонтаже 1 тюбинга через 90,47 ч
Была проведена аналогичная серия вычислительных экспериментов для моделирования динамики деформаций и нормальных тангенциальных напряжений в бетонной крепи клетевого и скипового стволов при замене разрушенных тюбингов, которая положена в основу системы мониторинга динамики напряженно-деформированного состояния бетонной крепи.
Систему мониторинга динамики деформаций и нормальных тангенциальных напряжений в бетонной крепи клетевого и скипового стволов Усть-Яйвинского рудника ПАО «Уралкалий» при замене разрушенных тюбингов для определения критического периода времени, обеспечивающего безаварийную замену тюбинговых сегментов целесообразно реализовать в виде автоматизированной стационарной системы мониторинга инженерных конструкций [7 - 11].
В данном случае автоматизированная стационарная система мониторинга инженерных конструкций (СМИК) является подсистемой структурированной системы мониторинга и управления инженерными системами скипового ствола №1 и клетьевого ствола №2.
Данная система должна соответствовать требованиям национального стандарта ГОСТ Р 22.1.12-2005 и предназначена для предупреждения перехода объекта мониторинга в ограниченно работоспособное или ава-
рийное состояние, которое может повлечь разрушение бетонного слоя крепи после снятия тюбинговых сегментов.
СМИК позволяет обнаружить на ранней стадии изменения несущей способности бетонного слоя крепи и своевременно информировать персонал дежурно-диспетчерской службы объекта о критическом изменении параметров состояния обнаженного слоя бетона.
Базовым элементом мониторинга является маркшейдерский мониторинг. При разработке паспорта проведения работ необходимо составить технический проект маркшейдерского мониторинга на основания ГОСТ 24846. В зависимости от расчетных параметров, их значений, допустимых погрешностей предварительно определяется класс точности измерений. При отсутствии расчетных значений параметров вертикальных деформаций и горизонтальных смещений в проекте классы точности выбираются.
Основанием для такого выбора служат классификация сооружений, сроки их эксплуатации и грунты, в которых они будут воздвигнуты.
В зависимости уже от предварительно определенных классов точности избираются методы и технологии измерений. Но в любом случае рекомендуется определенная последовательность действий при выполнении маркшейдерских наблюдений за состоянием обнаженного бетонного слоя: составление программы измерений; выбор схемы расположения маркшейдерских пунктов планово-высотного обоснования, с которых будут проводиться измерения; пространственная привязка этой основы; закладка деформационных сетей в виде групп реперов по выбранной схеме наблюдений; непосредственные инструментальные измерения; обработка, вычисления результатов с оценкой результатов и выводами [9 - 11].
Кроме этого, на выбор методов измерений влияют виды деформационных параметров (вертикальные осадки, горизонтальные смещения, крены конструкций). В данном случае для горизонтальных смещений выбор способов измерений и приборов при их использовании зависит также от классов точности и может быть даже составлять комбинации таких методов, как триангуляции, створных наблюдений, отдельных направлений, фотограмметрии, полигонометрии.
Так как трещинообразование и разрушение бетонного слоя крепи целесообразно представлять в виде индикаторных диаграмм, отражающих процессы, протекающие в бетонном слое в различные периоды времени, то индикаторные диаграммы следует использовать при мониторинге динамики деформаций и нормальных тангенциальных напряжений в бетонной крепи клетевого и скипового стволов Усть-Яйвинского рудника ПАО «Уралкалий» при замене разрушенных тюбингов для определения критического периода времени, обеспечивающего безаварийную замену тюбинговых сегментов. Таким образом, контроль сводится к определению фактического времени существования поверхности обнажения для рассматриваемой бетонной крепи и сравнению его значения с критическим периодом
времени, обеспечивающим безаварийную замену тюбинговых сегментов, который зависит от количества одновременно снимаемых тюбинговых сегментов (табл. 1).
Таблица 1
Рекомендуемые значения критического периода времени, обеспечивающие безаварийную замену тюбинговых сегментов
Количество одновременно снимаемых тюбингов
Критический период времени, ч
Индикаторная диаграмма процессов трещинообразования и разрушения бетонной крепи
1
60
Трещинообразование и разрушение
о ю г.п ~ло 4п ло га ио до то по 170 тзо 1.40 1Ьо т э>о 1«о 19
29
Трещинообразование и разрушение
0 10 20 30 40 ЬО 60 /О 80 90 100 110 120 130 140 1Ь0 160 1/0 180 190
е грещин ■ Образование Трещин ■ Разрушение
27
Трещинообразование и разрушение
О 10 20 30 40 ЬО 60 /О 80 90 100 110 120 130 140 1Ь0 160 1/0 180 190
■ Отсутствие треп^ин ■ Образование трепуж ■ Разрушение
Рекомендуемая система мониторинга должна войти в проект произ-
2
3
водства работ. Очевидно, что мониторинг критического периода времени, обеспечивающего безаварийную замену тюбинговых сегментов, является главным элементом системы, а другие системы контроля будут носить вспомогательный характер.
Для оперативной передачи информации целесообразно использовать персональные мобильные системы. Количество одновременно заменяемых тюбинговых сегментов определяется проектом производства работ.
Выводы
1. Индикаторные диаграммы, отражающие процессы трещинообра-зования, протекающие в бетонном слое в различные периоды времени, следует использовать при мониторинге динамики деформаций и нормальных тангенциальных напряжений в бетонной крепи клетевого и скипового стволов Усть-Яйвинского рудника ПАО «Уралкалий» при замене разрушенных тюбингов и для определения критического периода времени, обеспечивающего безаварийную замену тюбинговых сегментов.
2. Мониторинг сводится к определению фактического времени существования поверхности обнажения для рассматриваемой бетонной крепи и сравнению его значения с критическим периодом времени, обеспечивающий безаварийную замену тюбинговых сегментов. Критический период времени, обеспечивающий безаварийную замену тюбинговых сегментов, зависит от количества одновременно снимаемых тюбинговых сегментов.
3. Рекомендуемая система мониторинга должна войти в проект производства работ. Очевидно, что мониторинг критического периода времени, обеспечивающего безаварийную замену тюбинговых сегментов, является главным элементом системы, а другие системы контроля будут носить вспомогательный характер.
4. Для оперативной передачи информации целесообразно использовать персональные мобильные системы. Количество одновременно заменяемых тюбинговых сегментов определяется проектом производства работ, но наиболее безопасной будет технология последовательной замены по одному тюбинговому сегменту.
Список литературы
1. Техническое перевооружение армировки стволов и подъемных сосудов Усть-Яйвинского рудника. Проектная документация. Раздел 4. Конструктивные и объемно-планировочные решения. Пермь. 2016. 35 с.
2. Геомеханическая и технологическая оценки эффективности применения податливого слоя в соляных породах строящихся стволов Усть-Яйвинского рудника ниже кейлькранцев и разработка основных техниче-
ских решений по технологии возведения податливого слоя. Отчет по НИР. ОАО «Галургия». Пермь. 2013. 39 с.
3. Разработать рекомендации по конструкции и расположению опорных венцов и измерительных станций при строительстве шахтных стволов Усть-Яйвинского рудника. Исходные данные для проектирования. Отчет по НИР. ОАО «Галургия». Пермь. 2013. 32 с.
4. Борзунов В.М., Гроховский Л.М. Поиски и разведка месторождений минерального сырья для химической промышленности. М.: Недра. 1978. С. 167 - 182.
5. Ершов В.В. Основы горнопромышленной геологии. М.: Недра, 1988. 328 с.
6. Копнин В.И. Верхнекамское месторождение калийных, калий-но-магниевых и каменных солей и природных рассолов // Изв. Вузов. Горный журнал. 1995. №6. С. 10-43.
7. Булычев Н.С., Абрамсон Х.И. Крепь вертикальных стволов шахт. М.: Недра, 1978. 361 с.
8. Булычев Н.С., Амусин Б.З., Оловянный А.Г. Расчет крепи капитальных горных выработок. М.: Недра, 1974. 320 с.
9. Ольховиков Ю.П. Крепь капитальных выработок калийных и соляных рудников. М.: Недра. 1984. 238 с.
10. Проскуряков Н.М., Пермяков Р.С., Черников А.К. Физико-механические свойства соляных пород. М.: Недра, 1973. 261 с.
11. Технология подземной разработки калийных руд / В.Г. Зиль-бершмидт [и др.] // М.: Недра. 1977. 423 с.
Грязев Михаил Васильевич, д-р техн. наук, проф., ректор, info@tsu.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ecology tsu _ tula@, mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Афанасьев Игорь Александрович, канд. техн. наук, инж., galina stasaimail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Стась Павел Павлович, инж., ecology tsu tulaa, mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DYNAMICS OF DEFORMATIONS AND NORMAL TANGENTIAL STRESSES IN CONCRETE LINING VERTICAL SHAFTS BY REPLACING DESTROYED TUBINGS
M. V. Gryazev, N.M. Kachurin, I.A. Afanasyev, P.P. Stas
The results of mathematical modeling of the dynamics of deformations and normal tangential stresses in concrete lining vertical shafts when replacing damaged tubing to determine the critical time period, ensuring trouble-free replacement of tubing segments. The
simulation was performed using actual results and real source data obtained during the construction of the cage and skip shafts of the Ust-Yayvinsky mine of PJSC Uralkali.
Key words: vertical shaft, concrete lining, tubing, tubing replacement, mathematical model, critical time period.
Gryazev Mikhail Vasilyevich, doctor of tech. sciences, Prof., rector, info@tsu.ru, Russia, Tula, Tula state university,
Kachurin Nikolai Mihailovich, Doctor of Technical Sciences, Full Professor, Chief of a Department, ecologytsu _tula@ mail.ru, Russia, Tula City, Tula State University,
Afanasyev Igor Alexandrovich, Candidate of Technical Science, Engineer, galina_ stas@ mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Stas Pavel Pavlovich, Engineer, ecology_tsu_tula@ mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Tehnicheskoe perevooruzhenie armirovki stvolov i pod#emnyh sosudov Ust'-Jajvinskogo rudnika. Proektnaja dokumentacija. Razdel 4. Konstruktivnye i ob#emno-planirovochnye reshenija. Perm'. 2016. 35 s.
2. Geomehanicheskaja i tehnologicheskaja ocenki jeffektivnosti primenenija podat-livogo sloja v soljanyh porodah strojashhihsja stvolov Ust'-Jajvinskogo rudnika nizhe ke-jl'krancev i razrabotka osnovnyh tehnicheskih reshenij po tehnologii vozvedenija podatlivogo sloja. Ot-chet po NIR. OAO «Galurgija». Perm'. 2013. 39 s.
3. Razrabotat' rekomendacii po konstrukcii i raspolozheniju opornyh vencov i iz-meritel'nyh stancij pri stroitel'stve shahtnyh stvolov ust'-jajvinskogo rudnika. Ishodnye dannye dlja proektirova-nija. Otchet po NIR. OAO «Galurgija». Perm'. 2013. 32 s.
4. Borzunov V.M., Grohovskij L.M. Poiski i razvedka mesto-rozhdenij mineral'nogo syr'ja dlja himicheskoj promyshlennosti. M.: Nedra. 1978. S. 167 - 182.
5. Ershov V.V. Osnovy gornopromyshlennoj geologii. M.: Nedra, 1988. 328 s.
6. Kopnin V.I. Verhnekamskoe mestorozhdenie kalijnyh, ka-lijno-magnievyh i ka-mennyh solej i prirodnyh rassolov // Izv. Vu-zov. Gornyj zhurnal. 1995. №6. S. 10-43.
7. Bulychev N.S., Abramson H.I. Krep' vertikal'nyh stvolov shaht. M.: Nedra. 1978.
361 s.
8. Bulychev N.S., Amusin B.Z., Olovjannyj A.G. Raschet krepi ka-pital'nyh gornyh vyrabotok. M.: Nedra. 1974. 320 s.
9. Ol'hovikov Ju.P. Krep' kapital'nyh vyrabotok kalijnyh i soljanyh rudnikov. M.: Nedra. 1984. 238 s.
10. Proskurjakov N.M., Permjakov R.S., Chernikov A.K. Fiziko-mehanicheskie svojstva soljanyh porod. M.: Nedra. 1973. 261 s.
11. Tehnologija podzemnoj razrabotki kalijnyh rud / V.G. Zil'-bershmidt [i dr.] // M.: Nedra. 977. 423 s.
