CC BY
38
Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2010. Вып. 1. С. 266-272
: НАУКИ о ЗЕМЛЕ :
УДК 622.283.4
Эффективные параметры возведения комбинированной крепи вертикальных стволов
С.А. Масленников, С.А. Говоруцкая
Аннотация. Изложены результаты исследования, направленного на совершенствование долговечности и надёжности вертикальных стволов, проходимых при строительстве подземных комплексов, предназначенных для длительного хранения высокотоксичных и радиоактивных отходов.
Ключевые слова: вертикальные стволы, комбинированная крепь, параметры возведения, долговечность и надежность, высокотоксичные и радиоактивные отходы, хранение.
На сегодняшний день одним из самых перспективных способов борьбы с радиоактивными и высокотоксичными отходами признано их захоронение в недрах. Концепция такого решения базируется на сочетании природных защитных барьеров с искусственными, уменьшающими возможность миграции радионуклидов в биосферу [1]. При строительстве таких подземных комплексов особое значение приобретает проходка и крепление вертикальных стволов, т. к. они пересекают всю толщу вышележащих пород и соответственно эксплуатируются в наиболее сложных условиях, являясь при этом основными подводящими выработками.
Для выполнения требований, предъявляемых к долговечности и надежности вертикальных стволов, авторами предложено использование комбинированной крепи с поэтапным ее возведением на различном расстоянии от забоя. По современным представлениям нагрузка на крепь формируется как результат взаимодействия массива пород и крепи. При этом упругая составляющая нагрузки будет тем меньше, чем большие деформации были реализованы породой. Таким образом, возведение мощных крепей вслед за подвиганием забоя, в силу их высокой жесткости, не позволяет реализовать породам значительные смещения и приводит к искусственному завышению нагрузок. Следствием этого являются более сложные условия работы крепи, высокая материалоемкость, трудоемкость возведения и стоимость.
В соответствии с предлагаемым способом по мере проходки возводится первый слой, который препятствует чрезмерному развитию смещений
пород и позволяет придать процессу контролируемый характер. При этом породы, смещаясь внутрь ствола, реализуют деформации, определяемые упругой составляющей, в результате чего снижается итоговая нагрузка на крепь. После достижения напряжениями в первом слое величины 80-85 % от предельных, в работу вводится следующий, второй слой. При возведении сразу обоих слоев вслед за подвиганием забоя, крепь, обладая значительно большей жесткостью, воспринимала бы соответственно и большие нагрузки (рис. 1). Из сказанного следует, что первый слой должен иметь минимальную мощность, низкие деформационные и относительно высокие прочностные характеристики, т.е. быть достаточно пластичным, обеспечивать изоляцию пород, иметь низкую трудоемкость и высокую степень механизации возведения.
В качестве наиболее подходящего материала авторами был выбран на-брызгбетон. Но как показывают выполненные расчеты, обычный набрызгбе-тон класса В25 и толщиной до 100 мм в пластичных породах на глубинах свыше 150-200 м данную функцию выполнять не может. При изучении возможных вариантов изменения прочностных и деформационных характеристик бетона предпочтение было отдано введению в его состав полипропиленовой фибры. При ее использовании модуль деформации бетона на начальной стадии твердения снижается на величину до 25 %, а прочность возрастает до 20 %.
Таким образом, сразу вслед за выемкой породы на стенки ствола предлагается наносить слой набрызгбетона мощностью до 100 мм. На некотором, определяемом ниже, расстоянии возводится второй слой крепи из анкеров, набрызгбетона или металлических колец. Параметры указанных слоев определяются исходя из расчета восприятия ими полных нагрузок. Последний, третий слой из монолитного или набрызгбетона возводится с большим отставанием от забоя или после проходки ствола на всю глубину и предназначен для обеспечения необходимого запаса прочности. Указанная конструкция может в зависимости от конкретной ситуации использоваться самостоятельно или в качестве составной части постоянной крепи, например, сталебетонной, из чугунных тюбингов или комбинированной со слоем скольжения, как принято в подобных случаях при строительстве стволов в европейской горнодобывающей промышленности.
Наиболее важным параметром в предлагаемой схеме является расстояние ввода второго слоя крепи. Запаздывание опасно авариями, так как приведет к разрушению первого слоя, а преждевременность — уменьшит положительный эффект от предлагаемого подхода.
Для определения указанного параметра в программе МЯ Ехе1 авторами разработана на основе рекомендуемой приложением к СНиП 11-94-80 «Подземные горные выработки» схемы расчета многослойных крепей, математическая модель, представляющая собой в общем случае многослойное кольцо, внешний слой которого моделирует массив пород. Расчет выполняется по методу коэффициентов передачи нагрузок, основанному на решении кон-
Р
* - тт __ * тт
а*Я/Н
а2ЛуН
а*3ЛуН
и
Рис. 1. Работа крепи возводимой по исходному и предлагаемому вариантам: 1 — характеристическая кривая пород; 2 — характеристическая кривая крепи возводимой по обычной технологии; 3 — характеристическая кривая первого слоя крепи; 4 — характеристическая кривая второго слоя
крепи
тактной задачи о взаимодействии крепи вертикальной выработки с весомым массивом пород. В результате расчета определяются нормальные и касательные напряжения. Важным достоинством является то, что они при этом оказываются зависимыми от характеристик всех элементов (крепи, массива, схемы проходки и т. д.).
Для точного решения указанной задачи учитывался ряд дополнительных факторов [2]: сдерживающее влияние забоя при возведении крепи небольшими заходками; ползучесть пород, так как хранилища предпочитают возводить в глинистых или соленосных породах, а они имеют ярко выраженные реологические свойства; влияние изменения деформационных и прочностных характеристик при твердении бетона после его нанесения.
Первый фактор был учтен определением доли коэффициента, проявляемой посуточно на 1 м проходки, и соответственным пошаговым определением нагрузок на крепь. Ползучесть пород представлялась в виде функции, выведенной Ж.С. Ержановым, и учитывалась методом переменных модулей, т.е. путем замены деформационных характеристик массива (модуля деформации, коэффициента Пуассона и модуля сдвига) временными функциями. Далее, как и в предыдущем случае, рассчитывалась нагрузка, реализуемая за сутки и на 1 м подвигания забоя.
Первый слой набрызгбетона в соответствии с требованиями ВСН 126-90 «Крепление горных выработок» принимался с минимально возможным из рекомендуемых классом по прочности В25. Нарастание прочности определялось по формуле Кудзиса, а изменение модуля деформации по формуле
рекомендуемой СНиП 2.06.08-87 «Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений».
В соответствии с существующим опытом в качестве интервалов исходных значений расчета были выбраны: стволы диаметром В от 4 до 12 м вчерне, глубиной Н от 80 до 750 м, проходимые в чаще всего используемых для этой цели породах — аргиллитах, алевролитах и каменной соли.
Результаты расчетов и выведенные по ним зависимости для каменной соли приведены в табл. 1 и на рис. 2, для алевролитов и аргиллитов — в табл. 2 и 3.
Таблица 1
Полученные зависимости для каменной соли
Диаметр В, м Полученная зависимость для величины отступа Среднеквадратичное отклонение Я2 Область применения по диапазону глубин Н, м
4 у = 90,70Н-0’52 0,945 231-700
6 у = 103,80Н-°>56 0,750 145-700
8 у = 132,90Н-°>62 0,730 107-600
10 у = 73,72Н-0>53 0,809 90-600
12 у = 68,57Н-°>52 0,827 80-600
Рис. 2. Величина отступа возведения второго слоя крепи от забоя в зависимости от глубины ствола
Технология возведения. Как видно из представленных результатов, подавляющее большинство полученных значений величин отступа возведения второго слоя крепи от забоя находится между 3 и 7 м. Наиболее распространенная в нашей стране техника для проходки вертикальных стволов не позволяет организовать эффективное возведение второго слоя крепи на указанном расстоянии от забоя. Поэтому нами был выполнен анализ предложений на международном рынке стволопроходческой техники, и в качестве наиболее подходящей было признано оборудование, производимое фирмой
Таблица 2
Полученные зависимости для алевролитов
Диаметр В, м Полученная зависимость для величины отступа Среднеквад- ратичное отклонение Д2 Область применения по диапазону глубин Н, м
4 у = 5 ■ 10-5Н2 - 0,072Н + 29,60 0,991 500-700
6 у = 3 ■ 10-5Н2 - 0,032Н + 13,51 0,989 350-600
8 у = 6 ■ 10-5Н2 - 0,056Н + 18,04 0,921 250-600
10 у = 1108,0Н-0>92 0,842 200-600
12 у = 303,9Н-°>71 0,922 200-600
Таблица 3
Полученные зависимости для аргиллитов
Диаметр В, м Полученная зависимость для величины отступа Среднеквад- ратичное отклонение Д2 Область применения по диапазону глубин Н, м
4 у = 3 ■ 10-5Н2 - 0,040Н + 19,80 0,994 500-750
6 у = 4 ■ 10-5Н2 - 0,047Н + 17,35 0,978 350-600
8 у = 1289,0Н-°>93 0,889 250-600
10 у = 2572,0Н-1’05 0,874 200-600
12 у = 449,6Н-°>77 0,929 200-600
БеПтапп-Нате1 [3]. Принимаемая многоцелевая установка (см. рис. 3 [3]) позволяет при смене рабочих органов вести погрузку породы, установку анкеров, возводить набрызгбетон, оконтуривать породные стенки и осуществлять разборку забоя ствола.
Выводы. 1. Повышение надежности и долговечности вертикальных стволов за счет применения дорогостоящих многослойных конструкций крепей актуально при строительстве подземных хранилищ высокотоксичных и ядерных отходов.
2. Возведение комбинированных конструкций послойно с разным отступом от забоя позволяет существенно снизить нагрузки на крепь и обеспечить более благоприятные условия работы.
3. Применяемая расчетная схема основана на рекомендациях регламентирующих документов и позволяет определить необходимое для обеспечения наиболее эффективной работы крепи расстояние от забоя ствола до места возведения второго слоя.
4. Учет упругой и пластической составляющих деформации пород, характера твердения бетона является необходимым условием получения достаточно точных результатов для рассматриваемой области применения.
Рис. 3. Многоцелевая установка для проходки вертикальных стволов
5. Предлагаемые решения обеспечиваются с технической точки зрения современным оборудованием, что придает данному исследованию непосредственную практическую ценность.
Список литературы
1. http://www.atomstroyexport.ru/nuclear_market/analytics, 14.05.2009.
2. Булычёв Н.С. Механика подземных сооружений. М: Недра, 1994. 382 с.
3. http://www.dh-shaftsinking.com/ официальный сайт фирмы Deilmann-Haniel,
14.05.2009.
Масленников Станислав Александрович (maslennikovsa@mail.ru), к.т.н., доцент, кафедра подземного, промышленного, гражданского строительства и строительных материалов, Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).
Говоруцкая Светлана Анатольевна, аспирант, кафедра подземного, промышленного, гражданского строительства и строительных материалов, Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).
Effective parameters of erection combined support vertical shafts
S.A. Maslennikov, S.A. Govoruzkaja
Abstract. Results of research directed on perfection of durability and reliability of the vertical shaft passed at building of underground complexes, the highly toxic for long storage highly toxic and radioactive waste are stated.
Keywords: vertical shafts, combined support, parameters of erection, durability and reliability, highly toxic and radioactive wastes, storage.
Maslennikov Stanislaw (maslennikovsa@mail.ru), candidate of technical sciences, associate professor, department of underground, industrial, civil construction and building materials, Shakhty Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).
Govoruzkaja Svetlana, postgraduate student, department of underground, industrial, civil construction and building materials, Shakhty Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).
Поступила 15.10.2009
