Исследования деформационного состояния гидроизоляционных сооружений в условиях нарастающих нагрузок Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

-------------------------------------------- © А.А. Шубин, 2004

УДК 622.257.1 А.А. Шубин

ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ В УСЛОВИЯХ НАРАСТАЮЩИХ НАГРУЗОК

Семинар № 13

# # рочность и устойчивость сформиро-

-*-*■ ванного гидроизоляционного сооружения в основном обуславливается его размерами, структурно-механическими свой-ствами тампонажной смеси, шириной раскрытия трещин, величиной зазора между крепью и породным массивом, а также рядом других показателей.

Аналитические решения [1] показывают, что на процесс формирования напряженного состояния в горном массиве, существенно влияют деформационные характеристики пород. Особенно ярко это проявляется при сооружении изоляционных завес вблизи контура ствола. При заполнении трещин и пустот там-понажными растворами, происходит перераспределение нагрузок за счет изменения деформационных характеристик массива и формы работы крепи с окружающими породами. В результате образуется двухслойная, а в некоторых случаях (при закрепном тампонаже) трехслойная крепь, состоящая из собственно крепи ствола и тампонажной оболочки, позволяющей более равномерно распределять нагрузки и способствующей увеличению несущей способности крепи в целом.

При расчете крепи шахтных стволов по различным методикам [2, 3], необходимо учитывать дополнительную податливость, возникающую в результате уплотнения тампонажного раствора находящегося в зазоре между крепью и горной породой. Воздействие гидростатического фактора предопределяет наличие нагрузки на раствор с момента его закачивания. Изменение объема тампонажного раствора может достигать значительных величин (порядка 30-40 %), но о численном значении перемещений, связанных с уплотнением, можно судить лишь после проведения эксперимента на компрессионном приборе.

Деформационные свойства тампонажного материала наиболее полно характеризуются

действующей нагрузкой, изменением толщины слоя тампонажного раствора в условиях стесненного деформирования, а также модулем продольной деформации.

При определении усадки тампонажного раствора, твердеющего под давлением, большое значение имеет режим нагружения. Очевидно, что одним крайним случаем, будет отсутствие нагрузки в течение нескольких суток, и затем постепенное ее нарастание; другим - очень быстрое приложение нагрузки, достигающей в течение нескольких суток своего предельного значения.

Первый режим нагружения реализуется в случае использования дополнительного мероприятия по отводу воды от участка проведения тампонажных работ и наличия пород, отличающихся медленной ползучестью и относительно небольшой конечной деформацией.

Второй режим - быстрое нагружение -реализуется при влиянии гидростатического давления, а также давления нагнетания тампонажного раствора в нарушенную действием взрыва зону пород. Давление на крепь в данном случае, как правило, получается большим, и поэтому целесообразен по возможности точный расчет податливости крепи.

Раствор испытывался на компрессионном приборе в условиях невозможности бокового расширения, а поэтому деформация сдвига была исключена. Анализировалось уплотнение за счет уменьшения объема пор, обозначенное уменьшением толщины кольца тампонажного раствора - Д.

Зависимость между уменьшением толщины кольца тампонажного раствора, нагрузкой и модулем деформации может быть представлена в виде [2].

Д= Р» (1 ~ УР ) £ (1)

ЕР

раствора при твердении под нагрузкой

Хз Уплотнение раствора, Д, мм, (У) Уі у У 2 у ¥1у2 У 3

0.2 0.01 75 1.0 0.32 0.43 0.74 0.97

0.2 0.03 25 4.5 3.1 1.45 1.04 1.39 1.18

0.2 0.05 125 3.75 1.21 1.52 0.8 0.85

0.4 0.02 100 4.0 0.83 0.83 1.0 0.95

0.4 0.03 50 5.5 4.8 1.15 1.04 1.11 1.01

0.4 0.04 75 4.9 1.02 1.24 0.82 0.97

0.6 0.01 125 2.5 0.39 0.91

0.6 0.03 75 6.0 0.94 0.9

0.6 0.02 50 5.4 6.4 0.84 0.86

0.6 0.04 100 6.9 1.08 1.03

0.6 0.03 75 6.0 0.94 0.9

0.6 0.05 25 11.6 1.81 1.46

0.8 0.02 75 3.3 0.45 1.04

0.8 0.03 100 6.8 7.33 0.93 0.84

0.8 0.04 50 11.9 1.62 1.06

1.0 0.01 25 4.4 0.58 0.69

1.0 0.03 125 6.6 7.6 0.87 0.83

1.0 0.05 75 11.8 1.55 1.25

где S - параметр, зависящий от геометрических размеров прибора; РИ - давление на раствор.

Второй задачей исследований является построение уравнения регрессии, определяющего податливость тампонажных растворов за счет уплотнения при твердении под давлением. На основании вышеприведенного анализа параметров, влияющих на уплотнение глиноцементных тампонажных растворов, в качестве независимых факторов принимаем: давление на раствор; ширину зазора между крепью и породой и модуль деформации раствора (1).

Выбор факторного пространства для исследуемых параметров осуществляем на основе анализа проектов производства работ, а также лабораторных исследований. Величину зазора принимаем в пределах от 0.01 до 0.05 м, коэффициент перебора пород при этом находится в реальном промежутке от 1.01 до 1.03. Шаг варьирования зазора принимаем 0.01 м. Давление на раствор - РИ принимаем на основе вы-шепринятого решения в интервале от 0.2 до 1.0 МПа, с шагом варьирования - 0.2 МПа.

Модуль деформации тампонажного раствора Ер принимается из условия непродолжительного перерыва между возведением закреп-ного тампонажного слоя и установлением на его контуре действующей нагрузки от гидростатического давления или давления нагнетания тампонажного раствора в нарушенную зону пород. По результатам лабораторных испы-

таний тампонажных растворов, проведенных в ГОАО " Спецтампонажгеология", и на кафедре "Строительство подземных сооружений и шахт" величина модуля деформации раствора в период от 1 до 15 суток составляет 25-125 МПа. Основная цель экспериментальных исследований - обосновать основные параметры тампонажного раствора, позволяющие при воздействии на него внешних факторов, обеспечить надежную работу крепи. Для этого используется рациональная методика планирования эксперимента по способу Брандона. Построение математической модели в данном случае не требуется, необходимо лишь определить такое соотношение компонентов, которое обеспечило бы оптимальные параметры раствора и действующих на него нагрузок.

В результате исследований, проведенных на компрессионном приборе, получены параметры уплотняемости тампонажного раствора Д при твердении под нагрузкой. Расчетные показатели, в соответствии с планом эксперимента представлены в таблице. деформации раствора (рис. 1; 2; 3). С достаточной степенью точности (коэффициент корреляции Я = 0,97) произведено описание полу-

По результатам испытаний были построены частные зависимости уплотнения глиноцементного тампонажного раствора от действующей нагрузки, толщины слоя тампонажного раствора за крепью и модуля

А, мм

6 -5 4 3 2 -1 0

= 2.9488Ьп(х) + 7.7685 Я2 = 0.9879

Рис. 1. График зависимости уплотняемости тампонажного раствора при твердении под нагрузкой

У2 1,6 -1,4 -1,2 -1

0,8 -0,6 -0,4 -0,2 -0

5 ,м

0 0,02 0,04

Рис. 2. График частной зависимости величины уплотнения от толщины тампонажного слоя

У3

1,

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

у = 2,1056х'°

0

50

100

Ер, МПа

Рис. 3. График частной зависимости величины уплотнения от модуля деформации тампонажного раствора

ченных частных зависимостей. Установлено, что рост нагрузки при твердении тампонажного раствора приводит к увеличению его уплотняемости по логарифмическому закону. Податливость раствора пря-

мо пропорциональна толщине тампонажного слоя, находящегося между крепью и породой. Изменение модуля деформации тампонажного раствора есть обратная степенная функция по отношению к уплотнению раствора.

Обработка результатов эксперимента проводилась с помощью ПЭВМ кафедры "Строительство подземных сооружений и шахт". Установлено, что экспериментальные данные описываются уравнениями:

У1 = 2,9488 • 1п(Х + 0,0718) + 7,7685,

при коэффициенте корреляции Я = 0,993;

У 2 = 25,9 ■ X + 0,235,

при коэффициенте корреляции Я = 0,991; У 3 = 2,1056 ■ X _ 0,1816,

при коэффициенте корреляции Я = 0,97.

Полученные зависимости позволяют графическим путем определить уплотняемость (податливость) тампонажного слоя в условиях твердения раствора под давлением с учетом геометрических параметров изоляционной завесы и модуля деформации тампонажного раствора.

В случае необходимости, с учетом влияния каждого из параметров, производится корректировка уплотняемости раствора в конкретных условиях производства тампонажных работ.

Учитывая результаты опытов, а также известные выкладки по компрессионному испытанию грунтов [3], запишем уравнение регрессии для Д, мм:

А = 0,33(1п(Рн + 0,0718) + 2.63Х110.2£ + ^Е^1816 • (1 - Vр2)

(2)

Последнее уравнение дает наиболее полное представление об изменении положения там-понажной завесы, возведенной за контуром ствола при воздействии горного и гидростатического давления, другими словами, оно является основным "инструментом" управления процессом формирования изоляционной завесы.

Кроме того, каждый из представленных в уравнении (2) параметров может быть изменен с целью создания благоприятной деформационной картины за крепью ствола при последующем тампонаже.

Анализируя данные вышеприведенных экспериментальных исследований, можно сделать следующие выводы:

1. Уменьшение модуля деформации тампо-нажной оболочки при заданных функциях распределения смещения контура выработки и дей-

0

ствующей нагрузки позволяет снизить интенсивность напряженного состояния закрепного пространства.

2. При одной и той же величине податливости крепи ствола компоненты напряжений на ее контуре тем меньше, чем выше деформационная способность тампонажного материала, заполняющего закрепное пространство.

3. Пластичные свойства глиноцементного раствора, находящегося в закрепном пространстве, предопределяют сглаживание неравномерно-

1. Кипко ЭЯ., Быков Н.Л., Шубин А.А. Деформируемость трещиноватых и трещиновато-пористых горных пород после тампонажа. // Шахтное строительство. 1990. №11. С. 9 - 13.

2. Козел А.М., Борисовец В.А., Репко A.A. Гор-

стей распределения давления на крепь, что повышает ее устойчивость.

4. Усадка глиноцементного тампонажного раствора при твердении под давлением - процесс совершенно аналогичный консолидации и подчиняется таким же качественным закономерностям. Уплотнение тампонажного раствора не может идти неограниченно и затухает по логарифмическому закону с ростом действующей нагрузки.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ное давление и способы поддержания вертикальных стволов. - М.: Недра, 1976. 293с.

3. Симанович Г.А., Зиньковский С.В. Рациональный способ тампонажа закрепного пространства. // Шахтное строительство . 1985 №1 С.15-16.

— Коротко об авторах

Шубин A.A. - Шахтинский институт ЮРГТУ (НПИ), г. Шахты.

----------------------------------------- © С. С. Мининг, С. С. Серый,

2004

УДК 657.471:553.3/.4

С. С. Мининг, С. С. Серый

СТОИМОСТНО-ЦЕНОВОЕ СТРУКТУРИРОВАНИЕ ЗАПАСОВ КОВДОРСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ РУД

Семинар № 13

ТТи один из основных натуральных показателей запасов руды, взятый отдельно, не может однозначно характеризовать эти запасы с точки зрения эффективности их использования.

Рентный характер экономической оценки природных ресурсов приводит к необходимости учета не валовой ценности месторождений полезных ископаемых, а эксплуатационной их ценности.

Критериями оценки для структурирования запасов комплексных бадделеит-апатит-

магнетитовых руд Ковдорского месторождения являются:

а) в денежной форме Цэ = Б(Ц6-ЦПД (1)

где Цэ - эксплуатационная ценность запасов, тыс. руб.; Б - количество запасов руды, тыс. т; Ц6 - валовая ценность 1 т запасов руды, руб/т; Цпд - предельно допустимая валовая ценность 1 т запасов руды на контурах выемочных участков, руб/т.