CC BY
18
УДК 622.833.5
Сентябов Сергей Васильевич
младший научный сотрудник лаборатории геодинамики и горного давления Институт горного дела УрО РАН, 620075, г.Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 е-mail: [email protected]
ФОРМИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИИ В БЕТОННОЙ КРЕПИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ
Sentyabov Sergei V.
Junior researcher, the Institute of Mining UB RAS, 620075, Yekaterinburg, Mamin-Sibiryak St., 58 e-mail: [email protected]
RELATIONSHIP GENERATING A VOLTAGE AT THE CONCRETE LINING OF THE TRUNK
Аннотация:
Представлены результаты исследований, дано решение актуальной научной задачи, заключающейся в научном обосновании закономерностей формирования напряжений в бетонной крепи вертикальных стволов, являющихся суммой гравитационных, условно постоянных тектонических и переменных во времени астрофизических напряжений. Приведены расчеты и замеры напряжений в крепи стволов, формирующихся за счет переменных во времени астрофизических напряжений, которые могут достигать 10 - 15 МПа, а в перспективе 20 - 30 Мпа.
Ключевые слова: условно постоянные тектонические напряжения, напряженно-деформированное состояние крепи стволов, астрофизические напряжения, бетонная крепь, массив горных пород
Abstract:
The results of the research, given the decision to act-Hoc scientific challenge of the scientific basis of laws offormation of stresses in the concrete lining vertical shafts which are the sum of gravity, relatively constant tectonic and time-varying astrophys-ical stresses of importance to science and practice of the mining industry. Calculations and measurements of stresses in the lining trunks emerging due to time-varying astrophysical stresses that can reach 10 - 15 MPa, and in the future 20 - 30 MPa.
Key words: conditionally permanent tectonic stresses, stress-strain state of the trunk fixing, as-trophysical stresses, concrete fixing, rock mass
2 s
Капитальные бетонные сооружения (стволы), возводимые в массиве горных пород, наряду с выполнением технологических функций, должны соответствовать требованиям безопасности работающего персонала и объектов, расположенных в зоне их влияния. При расчете параметров устойчивости бетонной крепи вертикальных стволов учитывается множество технологических, технических и природных факторов.
После проходки ствола полная конвергенция его стенок в условиях плоской деформации составит
и о = (с1 + а 2 + (о> - а 2 Хз - 4^)ес8 29), 0)
2Еп
где ив - конвергенция стенок ствола по диаметру, мм; В - диаметр ствола, мм; Еп -- модуль упругости массива пород; ¡и - коэффициент Пуассона; 01, 02 - главные горизонтальные напряжения, МПа; 0 - угловая координата, град.
С приближением к забою конвергенция стенок ствола уменьшается (рис. 1), составляя на расстоянии от забоя 2В - 100 %; В - 97 %; 0,5В - 80 %; 0,25В - 70 % и у забоя 50 % [1].
i иЩх) = 11 f )D (сХКФ) + аyKx(y) + а z)), (2)
О- E„
<¡1
I UD(y) = ^-f^ (а xKy (х) + а yKy(y) + а K Д (3)
где ив - конвергенция стенок ствола по диаметру, мм; Кх(х), Ку(х) ... - условные коэффициенты концентрации напряжений (ох), (о ), (о,,) по осям Х и У; ох, о , ог - составляющие
главных напряжений, МПа.
Рис. 1 - Схема конвергенции стенок ствола
Расчет произведен для Гайского подземного рудника на горизонте -1075м, где природные напряжения измеряли методом щелевой разгрузки в 2008 г. Величины первоначальных напряжений, действующих в массиве пород месторождения составляют Ох= -32 МПа; Оу= -49 МПа; о2= -33 МПа.
Рассмотрим деформации ищх) и ищу) на разных расстояниях от забоя Ь/Ю (табл. 1) и построим графики ищх) и ищ(у) (рис. 2, 3) в зависимости от отношения Ь/Ю=0,1; 0,4; 0,8; 1,2; 1,6; 2,0; 2,4 (табл. 2).
Таблица 1
Условные коэффициенты концентрации на различном удалении от забоя
0,1 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4
Кх(х) 1,68 2,02 2,38 2,64 2,84 2,9 3,0
Кх(у) -0,6 -0,62 -0,8 -0,88 -0,92 -0,98 -1,0
Кх(г) -0,32 -0,29 -0,24 -0,15 -0,08 -0,025 0
Изменение диаметра ствола за счет конвергенции стенок
Таблица 2
ЬЮ 0,1 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4
ию(у) -1,75 -3,1 -4,3 -5,1 -5,5 -5,6 -5,7
ив(х) -6,7 -8,8 -11,3 -12,7 -13,3 -13,6 -13,7
иБ(у)
X Ряд 1; 1,2; 5, ---
"Ряд 1-08-4,:
--Ряд 1; 0,4; 3, 1
рЯД1, и 1,75 1;
Ьв/Яэф
Рис. 2 - График изменения диаметра ствола за счет конвергенции стенок иэ(Г)
2 X
ге *
а
ф
ЕС
о и
12,7 13,3 13,7
Р |д1; 0,8; 11,3
Ряд 1; 0,4; 8, 5
- Ряд1; 0 1; 6,7
Ьв/Яэф
Рис. 3 - График изменения диаметра ствола за счет конвергенции стенок Цв(х)
При дальнейшей проходке этот участок ствола испытывает максимальную нагрузку в соответствии со следующими зависимостями:
ое(х) = ( Е [оХ (кХ(х) " КХ(х))+ °п (Кх(у) - Кх(у); Е
п
о
е(У)
Е
)+ о 2 (к
( еб [оп {Ку(х) - Ку(х))+ оп(КУ(У) - КУ(У))+ ог {Ку(г) - Ку
Х (г)- К Х (г)
1 (4)
у(2)1 (5)
п
где К ) — коэффициенты концентрации на удалении от забоя более 1,5 Б; К(г) — коэффициенты концентрации в сечениях ближе чем 1,5 Б; Еп — модуль упругости массива пород, МПа; ЕБ — модуль упругости бетона, МПа; оП; оП; о2; — главные первоначальные напряжения, МПа.
Таблица 3
Расчетные напряжения в бетонной крепи
Горизонт Верх кольца Низ кольца
Св(х), МПа О0(у), МПа С0(х), МПа О0(у), МПа
-830 м -8,5 -0,77 -15,3 -0,6
-910 м -8,7 -0,9 -15,8 -0,8
-1075 м -8,8 -1,2 -16,6 -4,8
На основании полученных результатов представляется возможным сделать следующий предварительный вывод об устойчивости крепи стволов рудника. На участках, где проходку приостанавливали на время, когда бетон набирал свою полную прочность, в крепи ствола возникали максимальные напряжения (табл. 3). Величины рассчитанных напряжений на горизонте -830 м и ниже близки к нормативной прочности бетона, равной для М200 18 МПа. На этих участках есть опасность нарушения крепи стволов.
В процессе исследований на месторождении натурные определения напряжений, действующих в крепи стволов, проводились при помощи модифицированного метода щелевой разгрузки [1]. Измерения были проведены на глубине -830 , -910, -990, -1070 и -1390 м Гайского подземного рудника.
По результатам измерений с помощью нового метода были получены определенные деформации и пересчитаны в напряжения, представленные в табл. 4.
Таблица 4
Результаты расчета напряжений в бетонной крепи ствола методом щелевой разгрузки
1-я станция (горизонт -830 м) 2-я станция (горизонт -910 м) 3-я станция (горизонт -990 м) 4-я станция (горизонт -1075 м) 5-я станция (горизонт -1390м) 6-я станция (горизонт -1390м)
-2,1 МПа -2,1 МПа -0,52 МПа -1,05 МПа -0,52 МПа -1,05 МПа
Полученные величины напряжений в крепи, возведенной при совмещенном способе проходки, подтверждают, что бетон не набрал полную прочность и деформировался пластично.
По выполненным измерениям вычисляем АЬ смещения реперов на базе 70 мм, путем решения плоской задачи теории упругости получаем напряжения в бетонной крепи по табл. 5 и строим график изменения напряжений во времени в бетонной крепи ствола «Клетьевой» на базе 70 мм (рис. 4).
График на рис. 4 согласуется с измерениями изменений астрофизических напряжений в массиве, проводимых лабораторией геодинамики и горного давления с 1998 г. [2]. Для этого были оборудованы наблюдательные станции в различных районах Урала: подземные - вне зоны влияния горных работ в районе городов Краснотурьинск, Нижний Тагил, Березовский и Гай, на глубинах от 420 до 1070 м.
Были установлены наблюдательные станции, и измерения проводились 3 - 4 раза в год. В ходе анализа результатов натурных исследований было установлено явление периодического изменения НДС массива горных пород вследствие расширения и сжатия земной коры (Земли) с временным интервалом в среднем 11 лет. Но разница в величинах напряжений объясняется разномодульностью пород и концентрацией напряжений в приконтурной части ствола. На рис. 5 представлен график изменений астрофизических напряжений в массиве пород месторождения с начала 2013 г.
В 2013 г. на Гайском подземном руднике были зафиксированы оаф=-7 МПа; в соответствии с прогнозируемым трендом изменения астрофизических напряжений к 2020 г. их величины могут достигнуть -30 МПа, при этом напряжения в бетонной крепи вертикальных стволов значительно увеличатся (рис. 6) при модуле упругости массива | пород Ем=0,7210-5 до горизонта -1075м, Ем=0,5710-5 до горизонта -1390 м, а модуль упругости бетона составит Еб=0,2 10-5. Прогнозируемые результаты расчета напряже-^ ний в бетонной крепи ствола представлены в табл. 6. <и
Таблица 5
Величины замеренных деформаций и вычисленных напряжений в бетонной крепи ствола «Клетьевой» на базе 70 мм
Горизонт 10.07.13 18.12.13 03.04.14 18.06.14 07.10.14 16.12.14
АЬ, см Ао, МПа АЬ, см Ао, МПа АЬ, см Ао, МПа АЬ, см Ао, МПа АЬ, см Ао, МПа АЬ, см Ао, МПа
-830м -0,004 -2,1 -0,004 -2,1 -0,008 -4,2 -0,008 -4,2 -0,008 -4,2 -0,009 -4,7
-910м -0,004 -2,1 -0,006 -3,15 -0,009 -4,7 -0,009 -4,7 -0,009 -4,7 -0,009 -4,7
-990м -0,001 -0,52 -0,001 -0,52 -0,007 -3,7 -0,007 -3,7 -0,007 -3,7 -0,01 -5,2
-1075м -0,002 -1,05 -0,003 -1,5 -0,011 -5,8 -0,011 -5,8 -0,011 -5,8 -0,012 -6,3
-1390м* -0,001 -0,002 -0,52 -1,05 -0,001 -0,002 -0,52 -1,05 -0,012 -0,013 -6,3 -6,8 -0,012 -0,013 -6,3 -6,8 -0,012 -0,013 -6,3 -6,8 -0,012 -0,014 -6,3 -7,3
*в числителе указаны значения, замеренные вверху кольца бетонной крепи, в знаменателе внизу кольца, соответственно
Да .МПа
Гор.-830м —■—Гор.-910м Гор.-990м
Гор.-1075м Гор.-1390м Гор.-1390м
Рис. 4 - График изменения напряжений во времени в бетонной крепи ствола «Клетьевой» на базе 70 мм
Рис. 5 - График изменения астрофизических напряжений оаф=-7 в массиве пород Гайского месторождения
Таблица 6
Прогнозные результаты напряжений в бетонной крепи ствола
1-я станция (горизонт -830 м) 2-я станция (горизонт -910 м) 3-я станция (горизонт -990 м) 4-я станция (горизонт -1075 м) 5-я станция (горизонт -1390м) 6-я станция (горизонт -1390м)
-14,71 МПа -14,71 МПа -13,13 МПа -13,66 МПа -16,22 МПа -16,75 МПа
Если судить о совпадении величин s на Солнце и на Земле и времени достижения ими экстремумов при проецировании на излучающую способность Солнца So и принять во внимание то, что в нано- и пикоциклах Земля (Земная кора) сжимается и расширяется объемно-равномерно в вертикальном и горизонтальном направлениях, то причиной этого явления могут быть
- магнитозвуковые волны космоса [3];
- излучение протонное (материал сжимается) и электронное (материал расширяется) [4];
- галактические космические лучи [5];
- гравитационные волны;
- электромагнитное излучение и т. п.
По полученным результатам расчетных напряжений в бетонной крепи прогнозируемые напряжения на участках, где были установлены измерительные станции, в крепи ствола могут возникнуть максимальные напряжения. Величины расчетных напряжений близки к нормативной прочности бетона (см. рис. 6).
Да,МПа
Допустимые налряжнння
10 16 14 11 10 8 6 4 2 О
2013 2014 2015 2316 2017 201В 2019 2020
Рис. 6 - График прогнозного изменения напряжений во времени в бетонной крепи ствола шахты «Клетевая»
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. При совмещенном способе проходки природные напряжения практически не оказывают влияния на формирование напряжений в бетонной крепи ствола, они не превышают 2 - 3 МПа из-за того, что бетон при совмещенном способе проходки не набрал полную прочность и деформировался пластично.
2. Основные напряжения в бетонной крепи ствола формируются за счет переменных во времени астрофизических напряжений, которые могут достигать 10 - 15 МПа, а в перспективе 20 - 30 МПа, что может привести к напряжениям, близким к нормативной прочности бетона.
Литература
2
s 1. Зубков А.В. Геомеханика и геотехнология / А.В. Зубков. - Екатеринбург: УрО
i РАН, 2001. - 335 с.
2. Зубков А.В. Горнотехнические условия отработки колчеданных месторожде-q- ний / А. В. Зубков // V Уральский горнопромышленный форум: Колчеданные место-8 рождения - геология, поиски, добыча и переработка руд: материалы Всерос. науч. конф.
Чтения памяти С. Н. Иванова / УрО РАН; Институт геологии и геохимии УрО РАН и др. - Екатеринбург, 2013. - С. 60 - 62.
3. Русинов Ю.И. Ионосфера в едином поле волн [Электронный ресурс] - Режим доступа: http// comm. roscosmos. ru/Docs/RusF2.dos или www.ntpo.com в разделе «Тайны космоса», 2008.
4. Тарасов Б.Г. Пульсация земли и цикла геодинамической активности в потоках космической плазмы / Б.Г. Тарасов. - СПб.: Международная академия наук экологии, безопасности человека и природы (МАНЭБ), 2009.
5. Распопов О.М. Долговременные тренды в модуляции космических лучей солнечным ветром за последние 150 лет / О.М. Распопов, В.А. Дергачев // Эффекты модуляции космических лучей солнечным ветром. - СПб.: ИЗМИРАН, 2003.
2 s х
ге £
а
ф
ЕС
о и
а.
