CC BY
3
15. Stress distribution т rock massifs / G.A. Krupennikov, N.A. Filatov, B.Z. Amusin, V.M. Barkovsky. M.: Nedra, 1972. 143а
УДК 622.272
ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ БЕТОННОЙ КРЕПИ ВЕРТИКАЛЬНОГО СТВОЛА
С.Д. Яцыняк, Е.А. Ермолович
Описана схема геомеханического мониторинга напряженно-деформированного состояния бетонной крепи воздухоподающего ствола. Применяется комплексный метод, который включает установку замерных реперных станций наблюдения и использование разработанных устройств для измерения деформаций на стенках горных выработок. Описаны два способа установки замерных станций и конструкция разработанного анкер-репера. Схема позволяет достоверно диагностировать состояние крепи и прогнозировать возможные её изменения.
Ключевые слова: вертикальный ствол, реперные стации, устройства для измерения деформаций.
В настоящее время на территории Норильского промышленного района насчитываются 36 действующих вертикальных стволов с общей глубиной 35,7 км. Средняя глубина сооружаемых вертикальных стволов составляет 991,5 м при максимальных значениях 2056 м.
Значительные осложнения, связанные с устойчивостью крепи вертикальных стволов, возникают из-за недостаточных данных о первоначальном поле напряжений, динамике взаимодействия в системе «крепь-массив» и в связи с продолжительным сроком её эксплуатации. Также на нарушение устойчивости крепи стволов оказывает влияние тектоническая нарушенность породного массива вблизи вертикальных стволов и ведение добычных работ. Это хорошо видно на примере воздухоподающего ствола рудника «Таймырский» ПАО «ГМК «Норильский никель» [1, 2].
Обеспечение устойчивого состояния крепи вертикальных стволов, сооружаемых в сложных горногеологических условиях и на больших глубинах, является главной задачей горного производства. Эти задачи были описаны отечественными (А.М. Янчуром, Г.А. Крупенниковым, Н.С. Булычевым, Д. Б. Казикаевым, С.В. Сергеевым и др.) и зарубежными учёными (Р. Феннер, А. Лабасс и др.) [3 - 9]. Анализ случаев разрушения крепи в стволах показывает, что в осложненных горно-геологических условиях давление на крепь определяется не только гравитационными силами, но и другими действующими факторами, такими как геологические,
горнотехнические и др. Наиболее надежная информация о состоянии крепи может быть получена только путем непосредственных экспериментальных измерений [10].
Поэтому для мониторинга изменения напряжённо-деформированного состояния крепи действующего воздухоподающего ствола рекомендуется установка комплексных геомеханических замерных станций на участках ранее выполненных начальных измерений напряжённо -деформированного состояния бетонной крепи ствола, охватывающих все типы пород, которые были подсечены при проходке стволом (таблица).
Комплекс геомеханических замерных станций предусматривает два независимых способа наблюдения за состоянием бетонной крепи ствола [10. 11].
Интервалы размещения замерных станций воздухоподающего ствола
Интервалы наблю-
№ п/п дений в отн. отмет- Тип пород
ках, м
1 -123 Базальты миндалекаменые
2 -230 Базальты лабрадоровые
3 -448 Долериты
4 -590 Песчаники
5 -731 Ангидриты
6 -848 Мергель метаморфизированный
7 -899 Контакт мергеля и роговиков
8 -1111 Контакт долерита и известняка
9 -1311 Доломиты
Первый способ состоит из установки замерных станций, включающих серию замерных баз (репер-маяки). Наблюдательные базы располагаются на стенке ствола в вертикальном и горизонтальном направлениях относительно вертикальной оси ствола.
На каждой отметке исследования предполагается установка четырех замерных станций. Предлагаемая схема установки замерных станций на каждой отметке ствола представлена на рис. 1.
Для защиты замерных станций от механических повреждений предлагается создание специальных ниш глубиной 35 - 40 мм, а также дополнительное закрытие их металлическим кожухом. Схема размещения замерных баз в защитной нише представлена на рис. 2.
Монтаж маяков замерных баз в бетонной крепи осуществляется в предварительно пробуренные отверстия диаметром 6 мм и глубиной 40 мм. В полученное отверстие вставляется пробка из полимерного материала
длиной 3,6 мм и диаметром 6 мм, в которой крепится металлический анкер посредством распора. В качестве маяков применяется металлический, устойчивый к коррозии цилиндрический ролик диаметром 4 мм и длиной 40 мм. Расстояние между маяками составляет 300 мм (база измерения).
Снятие показаний с замерных станций по первому варианту осуществляется вручную, на каждой отметке с откидных площадок скипов. В качестве измерительного прибора применяется механический тензометр конструкции ЦНИИС с точностью до 0,01 мм [1, 12].
Рис. 1. Схема установки замерной станции в обследуемых интервалах
бетонной крепи ствола: 1 - наблюдательная стаци; 2 - ниша установки реперов-маячков; 3 - бетонная крепь ствола; 4 - породный массив
Рис. 2. Схема размещения замерных баз в защитной нише: 1 -репера-маяки; 2 - защитная ниша; 3 - бетонная крепь ствола
Второй способ состоит из установки четырех деформационных металлических анкер-реперов, расположенных в горизонтальной плоскости ствола. Реперная стация включает в себя две главные наблюдательные линии ^р I - Rp III и Rp II - Rp IV), которые располагаются перпендикулярно относительно друг друга, и четыре вспомогательные наблюдательные линии ^р I - Яр II, Яр II - Яр III, Яр III - Rp IV и Rp IV - Яр I), расположенные по хордам окружности ствола [11]. Данный вариант даёт возможность определять деформации и вычислять напряжения бетонной крепи ствола в плоской постановке в разных направлениях с дальнейшим анализом действующих напряжений на крепь ствола. Схема установки реперной станций представлена на рис. 3.
Для защиты анкер-репера на станциях от механического и химического повреждений, предлагается закрывать резьбовое соединение в репере-анкере болтом для сохранности соединения. Съёмный репер [13, 14] накручивается при каждом измерении. После производства измерений съёмный репер выкручивается, и соединительное отверстие закрывается.
При производстве полевых работ измерения на реперных станциях делают с помощью метода ленточной тензометрии и на каждой отметке работы ведут с откидных площадок скипов. В качестве измерительного прибора применяется ленточный тензометр марки ТХО с точностью до 0,01 мм [14].
Рис. 3. Схема установки и расположения анкер-реперов на станциях: 1 - измеряемые длины между анкер-реперами; 2 - бетонная крепь ствола; 3 - породный массив
Места установки всех замерных станций на каждой целевой отметке ствола выбираются из условия наличия монолитной части бетонной крепи и отсутствия влияния систем трещин в бетоне.
Для получения достоверных и надежных результатов натурных наблюдений за деформационными процессами в бетонной крепи ствола необходима правильная установка анкер-репера в шпуре, которая достигается изменением конструкции самого репера [15]. Конструкция анкер-репера представлена на рис. 4.
Поставленная задача решается с помощью разработанного технического решения для измерения деформаций на стенках горных выработок, содержащего съёмные реперы, анкер-репер и измерительное устройство, причем анкер-репер выполнен из двух частей: передняя часть анкер-репера выполнена из арматурного стержня, наконечник анкера выполнен с напайкой металлических треугольников в виде оперения с расположением по окружности арматурного стрежня через 120°. Хвостовая часть анкер-репера выполнена из круглого металлического стержня, по окружности которого через 120° с двух сторон напаяны металлические прямоугольники, кроме того, с каждой торцевой стороны хвостовой части анкер-репера имеется по одному внутреннему отверстию: одно с резьбой - для соединения съемного репера, а другое гладкое - для соединения между собой передней и задней частей анкер-репера с помощью дуговой сварки.
Рис. 4. Конструкция репера: 1 - круглый металл; 2 - армированный стержень;
3 - отверстие с резьбой; 4 - отверстие; 5 - напайки металлические;
6 - металлические оперения
Перечисленные новые отличительные признаки устройства существенно улучшают его жесткость, надежность, обеспечивают центрирование анкер-репера в шпуре как в горизонтальной, так и вертикальной плоскости, что важно для установки анкер-репера в горный массив. За счет
того, что передняя часть анкер-репера выполнена из арматурного стержня, наконечник анкер-репера выполнен в виде оперения из металлических треугольников, расположенных по окружности арматурного стрежня через 120°, содержимое ампул твердеющего раствора распределяется равномерно по всей длине шпура, в котором расположен анкер-репер, с учетом его диаметра. Данная конструкция анкер-репера позволяет избежать образование пробок и незаполненных полостей в шпуре, что обеспечивает его жесткое крепление с горным массивом [15].
В предлагаемом размещении комплексных замерных станций измерения деформаций бетонной крепи проводятся в двух направлениях (вертикальном и горизонтальном), а конструкция устройства для измерения деформаций в горных выработках позволяет центрировать и надежно крепить анкер в шпуре. Это даёт возможность контролировать правильность двух измерений и получать достоверные данные. Такой подход к мониторингу бетонной крепи позволяет не только достоверно диагностировать ее состояние во времени, но и прогнозировать возможные её изменения.
Список литературы
1. Ермолович Е.А., Яцыняк С.Д, Синица И.В. Геомеханическое обследование воздухопадающего ствола рудника «Таймырский» // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2022. Вып.4. С. 419 - 435.
2. Синица И.В., Ермолович Е.А., Яцыняк С.Д. Прогноз влияния очистных работ на напряженно-деформированное состояние массива в районе воздухоподающего ствола // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2023. Вып. 2. С. 418 - 431.
3. Янчур А.М. Опыт измерения горного давления на крепь в вертикальных стволах шахт Донбасса. М.: Углетехиздат, 1958. 15 с.
4. Крупенников Г. А. Экспериментальный метод определения нагрузок на крепь вертикальных стволов // Шахтное строительство. 1957. № 12. С. 4 - 7.
5. Булычев Н.С., Абрамсон Х.И., Мишедченко А.Д. Крепь вертикальных стволов шахт. М.: Недра, 1978. 301 с.
6. Казикаев Д.М., Борисов О.П., Сергеев С.В. Наблюдения за состоянием крепи и массива пород в стволе № 2 Яковлевского рудника // Шахтное строительство. 1980. № 12. С. 13 - 14.
7. Сергеев С.В. Некоторые результаты наблюдений за состоянием многослойной крепи ствола № 2 Яковлевского рудника КМА // Механика подземных сооружений. Тула: ТПИ, 1982. С. 92 - 96.
8. Феннер Р. Исследование горного давления // Вопросы теории горного давления. М.: Госгортехиздат, 1961. С. 5 - 58.
9. Лабасс А. Давление горных пород в угольных шахтах // Вопросы теории горного давления. М.: Госгортехиздат, 1961. С. 59 - 164.
10. Казикаев Д. М., Сергеев С. В. Диагностика и мониторинг напряженного состояния крепи вертикальных стволов. М.: Изд-во. «Горная книга», 2011. 244 с.
11. Методические рекомендации по проведению натурных наблюдений в стволах, сооружаемых в сложных горно-геологических условиях / Всесоюз. н.-и., конструкт. - технол. и проект. - изыскат. ин-т по осушению месторождений полез. ископаемых, спец. горн. работам, руднич. геологии и маркшейд. делу (сост. Д. М. Казикаевым и др.). Белгород: ВИОГЕМ, 1985. 35 с.
12. ОДМ 218.2.044-2014 Рекомендации по выполнению приборных и инструментальных измерений при оценке технического состояния мостовых сооружений на автомобильных дорогах. Отраслевой дорожный методический документ. М.: Изд-во ФГУП «Информавтодор», 2014. 161 с.
13. Устройство для измерения деформаций на стенках горной выработки: пат. 2761081 РФ. Опубл. 03.12.2021. Бюл № 34.
14. Яцыняк С.Д., Ермолович Е. А Устройство для измерения деформаций на стенках горной выработки // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2022. Вып. 2. С. 466 - 474.
15. Устройство для измерения деформаций на стенках горных выработок: пат. 2794875 РФ. Опубл. 24.04.2023. Бюл № 12.
Яцыняк Сергей Дмитриевич, вед. инженер лаборатории, syatsenyuk65@mail. ru, Россия, Белгород, ОАО «ВИОГЕМ»,
Ермолович Елена Ахмедовна, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Белгород, Белгородский государственный национальный исследовательский университет
GEOMECHANICAL MONITORING OF STRESS-STRAIN STATE OF THE VERTICAL
SHAFT CONCRETE SUPPORT
S.D. Yatsynyak, E.A. Ermolovich
A scheme for geomechanical monitoring of the stress-strain state of the air supply shaft concrete support is described. A complex method is used. It includes the installation of measuring benchmark observation stations and the use of the developed devices for measuring deformations on the walls of mine workings. Two methods of installing measuring stations and the design of the developed anchor-benchmark are described. The scheme allows you to reliably diagnose the condition of the support and predict its possible changes.
Key words: vertical shaft, benchmark stations, devices for measuring deformations.
Yatsynyak Sergey Dmitrievich, leading engineer of the laboratory, [email protected], Russia, Belgorod, SJC «VIOGEM»,
Ermolovich Elena Akhmedovna, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Belgorod, Belgorod National Research University
Reference
1. Ermolovich E.A., Yatsynyak S.D., Sinitsa I.V. Geomechanical examination of the air-falling shaft of the Taimyrsky mine // Izvestia of Tula State University. Earth Sciences. 2022. Issue 4. pp. 419-435.
2. Sinitsa I.V., Ermolovich E.A., Yatsynyak S.D. Forecast of the impact of cleaning operations on the stress-strain state of the mass in the area of the air supply shaft // Proceedings of the Tula State University. Earth Sciences. 2023. Issue. 2. pp. 418 - 431.
3. Yanchur A.M. The experience of measuring the rock pressure on the support in the vertical shafts of the mines of Donbass. M.: Ugletekhizdat, 1958. 15 p.
4. Krupennikov G. A. Experimental method for determining loads on the support of vertical shafts // Mine construction. 1957. No. 12. pp. 4-7.
5. Bulychev N.S., Abramson H.I., Mishedchenko A.D. Support of vertical shafts of mines. M.: Nedra, 1978. 301 p.
6. Kazikaev D.M., Borisov O.P., Sergeev S.V. Observations on the state of the support and rock mass in the trunk No. 2 of the Yakovlevsky mine // Mine construction. 1980. No. 12. pp. 13-14.
7. Sergeev S.V. Some results of observations of the state of the multilayer support of the trunk No. 2 of the Yakovlevsky mine KMA // Mechanics of underground structures. Tula: TPI, 1982. pp. 92-96.
8. Fenner R. The study of mountain pressure // Questions of the theory of mountain pressure. M.: Gosgortehizdat, 1961. pp. 5 - 58.
9. Labass A. Rock pressure in coal mines // Questions of the theory of mountain pressure. M.: Gosgortehizdat, 1961. pp. 59 - 164.
10. Kazikaev D. M., Sergeev S. V. Diagnostics and monitoring of stress state supports of vertical trunks. M.: Publishing house. "Mountain book", 2011. 244 p.
11. Methodological recommendations for conducting field observations in trunks constructed in difficult mining and geological conditions / Vsesoyuz. n.-I., construct. - tech-nol. and the project. - They're being refined. The institute for the drainage of deposits is useful. minerals, special mining operations, mining geology and surveying. to the case; [Comp. D. M. Kazikaev et al.]. Belgorod: VIOGEM, 1985. 35 p .
12. ODM 218.2.044-2014 Recommendations on the implementation of instrumental and instrumental measurements in assessing the technical condition of bridge structures on highways. An industry-specific expensive methodological document. Moscow: Publishing house of FSUE Informav-todor, 2014. 161 p.
13. Device for measuring deformations on the walls of a mine: pat. 2761081 RF. Published on 03.12.2021. Byul No. 34.
14. Yatsynyak S.D., Ermolovich E. A device for measuring deformations on the walls of mining // Izvestiya Tula State University. Earth Sciences. 2022. Issue. 2. Pp. 466474.
15. Device for measuring deformations on the walls of mine workings: pat. 2794875 RF. Published on 04/24/2023. Byul No. 12.
