CC BY
31
УДК 622.833.5
С.В. Сентябов
исследование и прогноз изменения напряженно-деформированного состояния крепи шахтных стволов
о
на гаиском руднике*
Аннотация. Напряженное состояние бетонной крепи шахтных стволов формируется как функция конструктивных параметров ствола, полного тензора напряжений, включающего в себя гравитационно-тектонические и переменные во времени напряжения, действующие в массиве горных пород на момент начала исследований, с учетом физико-механических свойств породного массива, модуля упругости бетона, который зависит от скорости уходки и дополнительных напряжений, вызванных последующим изменением поля напряжений, обусловленных вне зоны влияния горных работ циклическим изменением природных напряжений, а в зоне влияния выработанного пространства — изменением вторичного поля напряжений. На основании геомеханических исследований произвести прогноз устойчивости крепи стволов на глубоких горизонтах Гайского рудника. Разработана и адаптирована к местным условиям, методика длительного мониторинга за изменением напряженно-деформированного состояния крепи стволов и массива горных пород.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, деформация, земная кора, гравитационно-тектоническая составляющая, наблюдательная станция, переменные во времени напряжения, бетонная крепь, массив горных пород.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-10-0-79-85
Работа (хозяйственная деятельность) человека в подземных условиях связана со строительством подземных сооружений различной сложности, устойчивость элементов которых, для обеспечения безопасности, необходимо рассчитывать. Граничными условиями для таких расчетов являются физико-механические свойства массива горных пород и его напряженно-деформированное состояние (НДС).
Учитывая сложность и трудоемкость работ по определению НДС массива горных пород в подземных условиях, на рудниках обычно проводили одну серию измерений в конкретное время и на конкретной глубине и использовали эти
результаты в дальнейшем, считая тектоническую составляющую (стТ) константой. На ряде рудников проводили по две, три, и более серий измерений, по мере вскрытия новых горизонтов [4]. Это дало возможность проследить изменение напряжений с глубиной, и появилась возможность проанализировать изменение этих результатов во времени [2].
С 2013 г на Гайском подземном руднике ведется мониторинг за напряженно-деформированным состоянием крепи стволов.
На данном этапе исследований на месторождении были определены изменения напряжений, действующих в крепи ствола шахты «Клетевая». Измерения
* Работа выполнена в рамках государственного задания (тема № 0405-2015-0012).
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 10. С. 79-85. © С.В. Сентябов. 2018.
Таблица 1
Показания прибора при измерении деформаций в бетонной крепи ствола шахты «Клетевая»на базе 70 мм
Deformation meter readings in concrete lining of Kletevaya Mine shaft with a spacing of 70 mm
№ станции Деформация, мм
до разгрузки после разгрузки
1-я станция (горизонт -830 м) 0,89 0,93
2-я станция (горизонт -910 м) 0,61 0,65
3-я станция (горизонт -990 м) 1,63 1,64
4-я станция (горизонт -1075 м) 1,10 1,12
5-я станция (горизонт -1390 м) верх кольца 0,88 верх кольца 0,89
6-я станция (горизонт -1390 м) низ кольца 0,66 низ кольца 0,68
проводились на базах различной длины и различных горизонтах [5].
Станции установлены в ходовом отделении ствола шахты «Клетевая», на отметках -830 м, -910 м, -990 м, -1070 м и -1390 м.
В местах установки станций, были произведены измерения действующих напряжений в крепи ствола методом щелевой разгрузки [6]. Впоследствии на этих базах производятся измерения изменения напряженно-деформированного состояния во времени [3] с периодичностью раз в три-четыре месяца.
На этих же выбранных участках, дополнительно были установлены станции для измерения деформаций на базе 1600 мм способные фиксировать горизонтальных и вертикальных деформаций крепи.
По результатам измерений с помощью нового щелевой метода [7] были получены следующие деформации, представленные в табл. 1.
Путем решения плоской задачи теории упругости пересчет полученных величин относительных деформаций в напряжения производим по формуле (1) результаты, представлены в табл. 2:
__^АВ ЕБ_ (1)
1,034*21-/(1- К щ+ К ш)
где иАВ — величина смещения реперов на базе АВ, см; ЕБ — модуль упругости бетона, МПа; I — расстояние между реперами, м; I — радиус щели, м.
Полученные величины напряжений в крепи, возведенной при совмещенном способе проходки, отличаются от теоретических за счет того, что бетон не набрал полной прочности и деформировался пластично.
В результате геодеформационного мониторинга в крепи ствола «Клетьевой» были зафиксированы изменения напряжений во времени.
Величины полученных изменений приведены на рис. 1—3.
Таблица 2
Результаты расчета напряжений в бетонной крепи ствола методом щелевой разгрузки, МПа
Calculated stresses in concrete lining of shaft by the method of borehole slotting
1-я станция (гор. -830 м) 2-я станция (гор. -910 м) 3-я станция (гор. -990 м) 4-я станция (гор. -1075 м) 5-я станция (гор. -1390 м) 6-я станция (гор. -1390 м)
-2,9 -2,9 -0,72 -1,4 -0,72 -1,4
Рис. 1. График изменения напряжений в бетонной крепи ствола шахты «Клетевая» на гор.-830 м Fig. 1. Graph of behavior of stresses in concrete lining of Kletevaya Mine shaft at the level of -830 m
2 Изменения на базе 70 мм сгг^ 50% от нормативной прочности бетона
В Изменения на вертикальной базе 1600 мм без учета первоначальных напряжений Изменения на горизонтальной базе 1600 мм
Рис. 2. График изменения напряжений в бетонной крепи ствола шахты «Клетевая» на гор.-990 м Fig. 2. Graph of behavior of stresses in concrete lining of Kletevaya Mine shaft at the level of -990 m
LJ Изменения на базе 70 мм верх кольца CZJ Изменения на базе 70 мм низ кольца 5 Изменения на горизонтальной базе 1600 мм
1 Изменения на вертикальной базе 1600 мм без учета первоначальных напряжений
2 50% от нормативной прочности бетона
Рис. 3. График изменения напряжений в бетонной крепи ствола шахты «Клетевая» на гор. -1390 м Fig. 3. Graph of behavior of stresses in concrete lining of Kletevaya Mine shaft at the level of -1390 m
Следовательно, в процессе эксплуатации ствола напряженное состояние бетонной крепи формируются как сумма известных [1] измеренных акризм и дополнительных Да напряжений, вызванных
кр ~ '
последующим изменением поля напряжений, обусловленных вне зоны влияния горных работ изменением переменной во времени составляющей, а в зоне влияния выработанного пространства изменением вторичного поля напряжений.
В математическом виде это выражение выглядит следующем образом:
где
а = а и
кр кр
+ Да
(2)
Да =
кр
= Г(Да пер, Да пер, Да пер, Е , Е,, ц , ц, Rn, Rл)
4 г ' х ' у ' п' б' "п' "б' 0 1'
в зоне влияния горных работ
ДоГ = о^- <сапзг = Г(г), вне зоны влияния горных работ
—&АФ ( t±) СТАФ ( t2
^ const = f(t),
/ = X, у.
Графики, представленные на рис. 1, 2, 3, согласуются с результатами измерений переменных напряжений во времени [8], в массиве проводимых лабораторией геодинамики и горного дав-
2000 2005 2010 2015
Рис. 4. Изменение параметров НДС (гАФ и аАф) по осредненным годовым данным на рудниках Урала на фоне изменения излучающей способности Солнца (S0) и интенсивности космических лучей Fig. 4. Change in the stress state parameters sAF and aAF by average annual data of Ural mines against variation in the solar emissivity S0 and cosmic-ray intensity
ления на Гайском подземном руднике с 2001 г. Измерения проводились методом гибких нитей на базах до 50 м на станциях, установленных в выработках околоствольного двора. Разница в величинах напряжений объясняется разно-модульностью пород и концентрацией напряжений в приконтурной части ствола.
На рис. 4 представлен график изменений переменных напряжений во времени с 1998 г. на рудниках Урала на фоне изменения излучающей способности Солнца (Э0) и интенсивности космических лучей [9—11].
В 2013 г. на Гайском подземном руднике были зафиксированы стАФ = -9 МПа; в соответствии с прогнозируемым трендом изменения переменных во времени напряжений к 2020 г. их величины могут достигнуть -30 МПа, при этом напряжения в бетонной крепи вертикальных стволов значительно увеличатся при модуле упругости массива пород Ем = = 0,72 ■ 105 МПа до горизонта -1075 м, Ем = 0,57 ■ 105 МПа до горизонта -1390 м, а модуль упругости бетона составит ЕБ = = 0,2 ■ 105 МПа.
• Горизонт -830 м; -910 м; -990 м При
СТАФ = СТАФ2020г СТАФ2013г =
= -30 — (-9) = -21 МПа,
2 -V- Г2 _
где
^"((f " I2) 2 • (-1,18) • 3,052 (3,052 - 2,752)
A -58,13 • 10-5 B ~ 49,2 • 10-5
ар«=" =
= -12,61 МПа,
= -1,18 МПа,
A--
2Аа Аф (1-ц2п
En
2-(-21).(1-0,32)
0,72-105
-58,13-10"
fl = C_ =
En Еб 1 + °,3 +-9^ = 49,2.10-,
0,72-105 °,2-1°5 • Горизонт -1075 м; -1390 м
При
-30 - (-9) = -21 МПа,
=
2 ' ар(: ^ Jm~(r22 - 1)
2' (-1,47)' 3,052
(3,052 - 2,752)
_ A _ -73,4 • 10-5 ар« _ в ~ 49,7 • 10-5
= -15,7 МПа,
_ -1,47 МПа,
где
A =
2Аа Аф (1- ц:„,
Еп
2-(-21)-(1-0,32) 5
0,57-105
в = + с =
En Еб 1 + 0,3_ + 9,49
0,57-105 0,2-105
Результаты прогноза напряжений в бетонной крепи представлены в табл. 3.
Таблица 3
Прогнозные напряжения в бетонной крепи ствола, МПа Predicted stresses in concrete lining of shaft
АФ АФ2020Г АФ2013Г
1-я станция (гор. -830 м) 2-я станция (гор. -910 м) 3-я станция (гор. -990 м) 4-я станция (гор. -1075 м) 5-я станция (гор. -1390 м) 6-я станция (гор. -1390 м)
-15,51 -15,51 -13,33 -14,01 -16,42 -17,1
По полученным результатам расчетных напряжений в бетонной крепи, на участках, где были установлены измерительные станции, в крепи ствола могут возникнуть максимальные напряжения. Величины расчетных напряжений близки к нормативной прочности бетона. Вследствие этого одной из основных задач является поиск конструктивных решений, направленных на повышение устойчивости крепи. В качестве одного из решений возможно рассмотрение использования анкеров, устанавливаемых при выполнении ремонтных работ
в стволе, позволяющего восстановить нарушенные участки выработок и обеспечить их дальнейшую безаварийную эксплуатацию.
Представленные уточнения в методы расчета напряжений и выявленные закономерности формирования напряженного состояния в монолитной бетонной крепи вертикальных стволов являются методической основой расчета напряжений в ней на любой глубине в интересующий нас период времени и обоснования путей безопасной эксплуатации горных конструкций.
список ЛИТЕРАТУРЫ
1. Булычев Н. С., Абрамсон Х. И. Крепь вертикальных стволов шахт. — М.: Недра, 1978. — 301 с.
2. Зубков А. В. Геомеханика и геотехнология. — Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2001. — 333 с.
3. Зубков А. В. Периодическое расширение и сжатие Земли как вероятный механизм природных катаклизмов // Литосфера. — 2013. — № 2. — С. 145—155.
4. Зубков А. В. Закон формирования природного напряженного состояния земной коры // Литосфера. — 2016. — № 5. — С. 146—151.
5. Сентябов С. В. Оценка эффективности комбинированного крепления стволов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2015. — № 6. — С. 406—412.
6. Сентябов С.В. Мониторинг напряженно-деформированного состояния бетонной крепи стволов на Гайском месторождении // Проблемы недропользования. — 2017. — № 2. — С. 119—126. DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.119.
7. Сентябов С. В. Анализ современного состояния строительства вертикальных стволов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2014. — № 7. — С. 415—419.
8. 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.
9. Solar Construction of a Composite Total Solar Irradiance (TSI) Time Series from 1978 to present [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.pmodwrc.ch/pmod.php?topic=tsi/ composite/SolarConstant :25.12.2014
10. Sugawara K. Measuring rock stress and rock engineering in Japan // Proceedings Int. symp. Rock stress, Kumamoto: Department of Civil Engineering and Architecture, Japan. — Balkema: S.n., 1997. Vol. 15—24, No 1. Р. 473.
11. Yang Shu-Xin et al Measuring rock stress and rock engineering in Japan // Chinese jornal of geophysics. 2012. Vol. 55—63. No 6. Р. 108. EES
коротко ОБ АВТОРЕ
Сентябов Сергей Васильевич — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН, e-mail: sentyabov1989@mail.ru.
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 10, pp. 79-85.
Analysis and prediction of change in stress state of shaft lining in Gaisky Mine
SentyabovS.V., Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, e-mail: sentyabov1989@mail.ru, Institute of Mining of Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 620219, Ekaterinburg, Russia.
Abstract. Stress state of concrete lining in mine shafts is formed as function of structural parameters of a shaft, complete tensor of stresses, including gravitational, tectonic and time-variable stresses effective in rock mass by the start of research, with regard to physical and mechanical properties of rock mass, concrete elasticity modulus dependent on advance rate and extra stresses induced by stress field variation due to cyclical change of natural stresses outside influence zone of mining and due to change of secondary stress field inside influence zone of mining. Based on geomechanical research findings, stability of shaft lining at deep levels of Gaisky Mine is predicted. The procedure of long-term monitoring of stress state variation in shaft lining and in rock mass is developed and adapted to local conditions.
Key words: stress state, deformation, earth crust, gravitational and tectonic stresses, observation station, time-variable stress, concrete lining, rock mass.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-10-0-79-85
ACKNOWLEDGEMENTS
This study was supported in the framework of state contract (theme No. 405-2015-0012). REFERENCES
1. Bulychev N.S., Abramson Kh. I. Krep' vertikal'nykh stvolov shakht [Vertical shaft lining], Moscow, Nedra, 1978, 301 p.
2. Zubkov A. V. Geomekhanika i geotekhnologiya [Geomechanics and geotechnology]. Ekaterinburg, IGD UrO RAN, 2001, 333 p.
3. Zubkov A. V. Periodicheskoe rasshirenie i szhatie Zemli kak veroyatnyy mekhanizm prirodnykh ka-taklizmov [Cyclic expansion and contraction of the Earth as a probable mechanism of natural cataclysms]. Litosfera. 2013, no 2, pp. 145-155. [In Russ].
4. Zubkov A. V. Zakon formirovaniya prirodnogo napryazhennogo sostoyaniya zemnoy kory [Law of formation of natural stress state in the Earth crust]. Litosfera. 2016, no 5, pp. 146—151. [In Russ].
5. Sentyabov S. V. Otsenka effektivnosti kombinirovannogo krepleniya stvolov [Estimation of combination support efficiency in shafts]. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 6, pp. 406—412. [In Russ].
6. Sentyabov S. V. Monitoring napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya betonnoy krepi stvolov na Gayskom mestorozhdenii [Stress state monitoring in concrete lining of of mine shafts at the Gaisky deposit]. Problemy nedropol'zovaniya. 2017, no 2, pp. 119—126. DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.119. [In Russ].
7. Sentyabov S. V. Analiz sovremennogo sostoyaniya stroitel'stva vertikal'nykh stvolov [Current situation in vertical shafting]. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2014, no 7, pp. 415—419. [In Russ].
8. Rusinov Yu. I. lonosfera v edinom pole voln, available at: http// comm. roscosmos.ru/Docs/RusF2. dos) (www.ntpo.com).
9. Solar Construction of a Composite Total Solar Irradiance (TSI) Time Series from 1978 to present, available at: http://www.pmodwrc.ch/pmod.php?topic=tsi/composite/SolarConstant :25.12.2014
10. Sugawara K. Measuring rock stress and rock engineering in Japan. Proceedings Int. symp. Rock stress, Kumamoto: Department of Civil Engineering and Architecture, Japan. Balkema: S.n., 1997. Vol. 15— 24, No 1. P. 473.
11. Yang Shu-Xin et al Measuring rock stress and rock engineering in Japan. Chinese jornal of geophysics. 2012. Vol. 55—63. No 6. P. 108.
&_
