CC BY
147
М.М. Иудин
ФОРМИРОВАНИЕ НАГРУЗОК НА КРЕПЬ ВЕРТИКАЛЬНОГО СТВОЛА В ЗОНЕ ПРОТАИВАНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
Проведен расчет устойчивости для вероятного разброса значений прочности пород для горно-геологических условий месторождения трубки «Ботуобин-ская», приведены расчетные значения нагрузки на крепь ствола, получена формула, учитывающая изменение упругих свойств мерзлой породы в зоне протаи-вания.
Ключевые слова: массив горных пород, нагрузки на крепь, крепление вертикального ствола.
Геомеханическое взаимодействие массива горных пород с крепью вертикального ствола является основным положением в методах расчета крепи выработки. Наибольший вклад в формирование основных положений взаимодействия крепи и породного массива внесли работы Ф.А. Белаенко, Н.С. Булычева, И.В. Баклашова, Г.Н. Савина, Г.А. Крупенникова, Ю.М. Либерма-на, К.В. Руппенейта и многих других исследователей.
Прогноз нагрузок на крепь вертикальных выработок целесообразно рассматривать в процессе взаимного деформирования породного массива и конструкции крепи. Среднюю нагрузку на крепь вертикального ствола следует определять из уравнения совместности смещений породного контура выработки и внешней поверхности крепи [1, 2]:
ит (Р) = и о + и (Р), (1)
где ЦДР) - смещение породного контура к моменту установления статического равновесия в системе крепь - массив; Ц0 - начальные смещения породного контура до момента ввода крепи в работу; Ц(Р) - смещение внешнего контура крепи при статическом равновесии в системе крепь - массив.
Выражение (1) состоит из аддитивных слагаемых. Следовательно, компоненты смещений, слагающих уравнение, можно рассчитывать раздельно, что позволяет для каждого элемента предлагать самостоятельные, независимые расчетные схемы и постановки
задачи. В этом смысле условие (1) является универсальным по своим возможностям решать прикладные задачи по прогнозу нагрузок на крепь выработки при допредельном, запредельном деформировании горных пород [1].
Проведение и крепление вертикального ствола является сложным технологическим процессом с большим сроком строительства. Например, строительство вертикальных стволов рудника «Интернациональный» АК «АЛРОСА» продолжалось 14 лет. Длительный период строительства стала причиной возникновения разных геомеханических ситуаций в массиве пород при проведении и креплении вертикальных выработок, обусловленных тепловыми процессами в приконтурном слое породного обнажения.
Как известно, при проветривании забоя ствола происходит массообмен вентиляционного и атмосферного воздуха. Тепловой режим вентиляционного воздуха в выработке определяется температурными параметрами атмосферного воздуха в районе строительства вертикального ствола.
Длительный временной период (несколько годовых циклов) проведения и крепления выработки приводит к значительным перепадам температуры воздуха в забое по отношению к естественной температуре мерзлой породы. Конвективный теплообмен вентиляционного воздуха с мерзлыми породами, происходящий из-за температурного градиента на поверхности породного обнажения, нарушает естественное температурное поле массива и образует вокруг выработки область теплового влияния. Учитывая температурную зависимость физико-меха-нических свойств пород, можно предположить изменение распределения напряженно-деформированного состояния в области теплового влияния. С учетом знакопеременного характера годового цикла температуры воздуха следует рассматривать различные геомеханические схемы взаимодействия крепи и массива горных пород в разные периоды проведения и крепления вертикального ствола.
Характер взаимодействия крепи ствола с массивом мерзлой породы существенным образом определяется состоянием температурного поля приконтурного слоя породного массива. Практика показывает, что при сохранении пород вокруг выработки в мерзлом естественном состоянии условия обеспечения устойчивости ствола более благоприятные, чем при оттаивании этих пород.
Таблица 1
и крепи вертикального ствола
Тип модели Главный фактор, влияющий на нагруженность крепи Режим работы крепи
1. Упругая Напряжения в нетронутом массиве, размер зоны протаи-вания Взаимовлияющая деформация
2. Жесткопластическая Размер зоны протаивания Заданная нагрузка
3. Упруго-вязкая Напряжения в нетронутом массиве, размер зоны протаивания Взаимовлияющая деформация
4. Упруго-пластическая Радиус зоны пластических деформаций и зоны протаивания То же
Это объясняется цементирующим действием замерзшей воды в порах и трещинах, которая соединяет трещиноватые породы в монолитный массив, обеспечивая тем самым повышенную прочность мерзлых пород. При оттаивании льда нарушается связность, ослабевает сцепление отдельных кусков, блоков мерзлых пород. Вследствие этого изменяются прочностные и
деформационные свойства в приконтурном слое. Кроме того, под влиянием изменяющейся геомеханической обстановки вокруг выработки по причине зависимости физико-механических свойств пород от температуры, происходят процессы, вызывающие дополнительное деформационное нагружение крепи ствола. Изменение основных механических свойств многолетнемерзлого массива пород связано с образованием зоны протаивания вокруг вертикальной выработки. Следовательно, в расчетных схемах взаимодействия массива пород и крепи вертикального ствола в условиях многолетней мерзлоты основным фактором, влияющим на нагруженность крепи, является размер зоны протаивания, который выражает все аспекты протекания термомеханических процессов. Классификацию моделей взаимодействия массива пород и крепи вертикального ствола в условиях Севера можно предложить в следующем виде (табл. 1).
Анализ влияния тепловых процессов на устойчивость вертикальных выработок и формирование нагрузки на крепь вертикальных стволов в многолетнемерзлых горных породах показывает, что на механические процессы в породном массиве существенное влия-
ние оказывает именно температурное воздействие вентиляционного воздуха в выработке. Поэтому, при расчете параметров крепи выработок в первую очередь необходимо оценивать параметры теплового режима, которые должны быть отражены в нормативных документах проектирования.
При рассмотрении деформирования породного массива в соответствии с расчетными схемами компоненты радиальных перемещений целесообразно разложить на составляющие: начальные, дополнительные и полные. В процессе взаимодействия крепи выработки и массива пород активно участвуют дополнительные и полные компоненты всех типов перемещений условия (1).
Совместное деформирование породного массива и крепи выработки предполагает два способа взаимодействия, основанные на учете видов перемещения породного контура [3].
Вариант 1 - учитываем только дополнительные перемещения. Считаем, что начальные перемещения в составляющих уравнения (1) не влияют на параметры совместного деформирования крепи выработки и породного массива, т.к. предполагаем, что к моменту возведения постоянной крепи ствола начальные перемещения горных пород реализовались в момент их выемки, а тепловое влияние не могло повлиять на геомеханическое состояние мерзлого породного массива. Это положение позволяет учитывать в явном виде изменение термомеханического состояния массива горных пород на параметры взаимодействия с крепью вертикального ствола.
Вариант 2 - принимаем во внимание полные перемещения при расчете параметров взаимодействия. Этот вариант необходим для оценки максимально возможной нагрузки на крепь выработки от конкретного термомеханического фактора и может служить пороговой величиной в наиболее экстремальных геомеханических ситуациях, развиваемой в породном массиве, которые нельзя исключить из возможного сценария развития геомеханических процессов в массиве.
В режиме взаимовлияющей деформации породного массива и крепи выработки необходимо учитывать влияние температурного фактора на изменение механических свойств мерзлых пород в зоне протаивания вокруг вертикального ствола. Учитывая, что деформирование поверхности крепи выработки ограничивается конечными размерами конструкции крепления, принимаем смещение внешнего контура крепи по выражению [3]:
и (Р) =
(1 + V* )Р
Ек
2(1 -V* )R12 2R1d - d2
-1
(2)
и0 = ^ т), (3)
' 0
~т
где Ек, vk - модуль упругости и коэффициент Пуассона материала крепи; d - толщина крепи ствола.
Для варианта 1 имеем условия:
- перемещение многолетнемерзлого породного массива до ввода постоянной крепи в работу целесообразно производить с учетом дополнительных перемещений породного обнажения по формуле
Я(1^т )
Ет
где Ет, vm - модуль упругости и коэффициент Пуассона мерзлых горных пород.
- перемещение породного массива к моменту установления статического равновесия в системе «крепь - массив», обусловленные образованием зоны оттаивания вокруг выработки и изменением механических свойств мерзлых пород, определим по формуле:
и (р) = (1 + ^ )(0 - Р)г (4)
"() Е((г? -1) , ()
где Е, VI - модуль упругости и коэффициент Пуассона мерзлых пород в талом состоянии; г - радиус протаивания мерзлых пород вокруг вертикального ствола.
Подставив составляющие перемещений в условие (1), найдем выражение для расчета нагрузки на крепь вертикального ствола при оттаивании мерзлой породы:
р = Я(1 +vt )(пук -Щ2 -1) ЕК (2R1d - d2)
ЕПук(пук + г2 -1) (1 + VК)[2(1 - VК)R12 -2R1d + d2] 1)
Если принять пу, к равным единице, то получим Р = 0. Это
означает, что в расчетной схеме отсутствует зона протаивания, а массив обладает свойствами пород в мерзлом состоянии.
Таким образом, получили формулу, которая учитывает изменение упругих свойств мерзлой породы в зоне протаивания.
Для тонкостенных оболочек, когда можно пренебречь влиянием квадрата толщины крепи, расчетная нагрузка на крепь вертикального ствола будет равна:
= д(1 +vt )(Пук - 1)(г2 -1)
Епук(Пук + г2 -1) (1 + V*)[(1 - V,)^ - d]^ 1 )
Выполним расчет для следующих условий: Ек = 2,9-104 МПа; ук = 0,2; d = 0,5 м; q = 10 МПа; г1: = 1,5; vt = ут = 0,2; Е1: = 6-104 МПа; Ет = 9-104 МПа; = 3,5 м. По формуле (5) расчетная нагрузка составит Р = 0,123 МПа, по формуле (6) - нагрузка на крепь ствола равна 0,159 МПа, т.е. крепь толщиной 500 мм нельзя считать тонкостенной оболочкой.
Кимберлитовые трубки Накынского поля представляют собой крутопадающие, овальной формы рудные тела. Массив вмещающих пород представлен карбонатными породами кем-брийской системы: алевролиты, мергели, аргиллиты, известняки, доломиты и песчаники с редкими прослоями известняковых конгломератов.
Трубки залегают в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород, в которой по температурному фактору выделяются следующие зоны: активная зона температурных колебаний, мощность слоя изменяется от 0,2 до 2,4 м; зона многолетнемерзлых пород простираются до глубины 370-385 м; зона распространения морозных пород, которые залегают в интервале 370-740 м, насыщены рассолы с отрицательной температурой и не содержат в своей структуре лед [4, 5].
Ниже зон мерзлых пород залегает породный массив, имеющий положительную температуру, и распространяется с глубины 740800 м.
Выделение в массиве горных пород разных температурных зон позволяет дифференцировать проявления геомеханических процессов вокруг выработок и определить тип и параметры крепления выработок. Активная зона температурных колебаний и верхняя часть многолетнемерзлых пород входят в толщу перекрывающих отложений над кимберлитовыми трубками. Перекрывающие горные породы трубки «Ботуобинская» представлены песчаноглинистыми отложениями, которые в мерзлом состоянии сцементированы в монолитный массив. Вмещающие породы до глубины 100 м от нижней подошвы перекрывающей толщи представлены сильнотрещиноватыми доломитизированными известняками. Недостаточная геокриологическая изученность месторождений и прочностных свойств горных пород (особенно в температурном диапазоне) предполагают при оценке параметров крепи выработок
учитывать вероятностный разброс значений свойств пород при анализе геомеханических процессов вокруг выработки.
Оценка состояния устойчивости пород [6] выполняется в зависимости от степени разрушенности породного массива во-круг выработки и имеет 4 категории: устойчивое, среднеустой-чивое, неустойчивое и очень неустойчивое. Для каждой кате-гории предлагаются рекомендации по типам и параметрам крепи выработки. Анализ рекомендаций показывает, что они носят общий характер и в каждом конкретном случае выбор крепи выработки определяется многими факторами (объективные и субъективные), не всегда обеспечивающие безопасность эксплуатации выработки, что во многом объясняет многочисленные факты деформаций, разрушения крепи и аварий в горных выработках.
Вскрытие кимберлитовой трубки «Ботуобинская» предполагается вертикальными стволами, которые будут пересекать через разные температурные зоны весь многолетнемерзлый массив горных пород. В соответствии с требованиями СНиП [7] выбор типа и расчет параметров крепи для протяженной части вертикального ствола следует производить на основании определения категории устойчивости пород в окрестности выработки.
Для горно-геологических условий месторождения трубки «Бо-туобинская» ввиду неоднозначности прогноза прочностных свойств вмещающих пород расчет устойчивости произведем для вероятного разброса значений прочности пород, по рекомендациям СНиП устанавливаем следующие категории устойчивости пород вокруг вертикальных стволов, проходимых для подземной отработки трубки «Ботуобинская» (табл. 2).
Так как расчет устойчивости пород для трубки «Ботуобинская» не дает однозначного результата (см. табл. 2), то принимаем, что вмещающие породы вокруг вертикального ствола относятся ко II категории устойчивости. Поэтому по рекомендациям СНиП, учитывая многолетнемерзлое состояние породного массива, расчет параметров крепи вертикального ствола целесообразно выполнять по методике, разработанной в ИГДС СО РАН,
Таблица 2
Категории устойчивости пород вертикального ствола
Глубина вертикаль- Категория устойчивости пород
ного ствола, прочность пород на сжатие прочность пород на сжа-
Н, м (минимальное значение при тие (прогнозное значе-
оттаивании) ние)
100 II I
200 II I
300 II I
400 II I
500 II I
600 II II
Таблица 3
Нагрузка на крепь ствола по глубине, кПа
Н, м 100 200 300 400 500 600
Р, кПа 190 380 570 300 380 300
которая учитывает сложные геомеханические условия месторождения, обусловленные геокриологическими факторами.
Расчетные значения нагрузки на крепь ствола по формуле (6) приведены в табл. 3. Причем до глубины 300 м расчетные значения нагрузки на крепь определялись по формуле (6). С глубины 400 м расчет нагрузки на крепь производилась по формуле СНиП. При расчете критерий устойчивости пород вертикального ствола принимался по табл. 2 при соответствующих параметрах ствола с учетом геокриологических условий трубки Ботуобинская. Если вести расчет нагрузки на крепь ствола по критерию устойчивости по всей глубине ствола, то на глубине 200 м максимальная нагрузка составит 470 кПа, что меньше расчетной нагрузки, определенной по формуле (6), на глубине 300 м - 570 кПа. Таким образом, принимаем за расчетные нагрузки на крепь вертикального ствола, приведенные в табл. 3.
Минимальная толщина бетонной крепи согласно требованиям СНиП должна быть равна 200 мм. Максимальная толщина бетонной крепи по экономическим соображениям не должна превышать 500 мм. При других значениях толщины крепи выработки ее параметры подбираются, увеличивая марку бетона, приводит к увеличению несущей способности крепи.
Толщина монолитной бетонной крепи вертикального ствола, рассчитанная по СНиПу, приведена в табл. 4.
Таблица4
Расчетная толщина бетонной крепи ствола, мм
Предел прочно- Глубина вертикального ствола, м
сти на сжатие, МПа 100 200 300 400 500 600
15,5 105 220 340 170 220 170
17,5 95 190 300 150 190 150
19,5 85 170 265 135 170 135
Таким образом, расчетная толщина бетонной крепи вертикальных стволов при марке бетона В35 составит 340 мм, с учетом коэффициента запаса 15-20 % получим нормативную толщину монолитной бетонной крепи вертикальных стволов равной 400 мм. Этот параметр рекомендуем устанавливать по всей протяженной части вертикальных стволов при отработке трубки Ботуобинская, и целесообразно рекомендовать при отработке остальных кимберлитовых трубок Накынского поля.
--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкции крепей. - М.: Недра, 1984. - 415 с.
2. БулычевН.С. Механика подземных сооружений. - М.: Недра, 1982. - 270 с.
3. Иудин М.М., Петров Е.Е. Взаимодействие многолетнемерзлого породного массива с крепью вертикального ствола. - Якутск: ЯНЦ СО РАН, 2000. - 148 с.
4. Александров И.Н., Шмырко А.Н., Шубин Г.В., Кирюшин Д.И. Создание безопасных условий отработки сверхглубоких карьеров Якутии. - Новосибирск: Наука, 2005. - 180 с.
5. Кузьмин Е.В., Узбекова А.Р. Самообрушение руды при подземной добычи. - М.: МГГУ, 2006. - 283 с.
6. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи / ВНИМИ, ВНИИОМШС Минуглепрома СССР. - М.: Стройиздат, 1983. -272 с.
7. СНиП 11-94-80. Подземные горные выработки / Госстрой СССР. - М.:
Стройиздат, 1982. - 31 с. ШИН
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ
Иудин М.М. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН, г. Якутск.
