Научная статья на тему 'Моделирование работы бетонной крепи реконструируемых вертикальных стволов'

Моделирование работы бетонной крепи реконструируемых вертикальных стволов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
141
18
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВЕРТИКАЛЬНЫЙ СТВОЛ / VERTICAL SHAFT / РЕКОНСТРУКЦИЯ / RECONSTRUCTION / БЕТОННАЯ КРЕПЬ / CONCRETE LINING / МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / MATHEMATICAL MODELING

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Прокопова Марина Валентиновна, Ткачева Карина Эдуардовна

Выполнен анализ особенностей проектирования реконструкции вертикальных стволов шахт и рудников. Сформулированы требования к построению математических моделей реконструируемых стволов для анализа напряженно-деформированного состояния их крепи.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Прокопова Марина Валентиновна, Ткачева Карина Эдуардовна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MODELLING OF CONCRETE LINING WORK IN VERTICAL SHAFTS UNDER RECONSTRUCTION

The analysis of designing reconstruction of vertical shafts in collieries and mines is presented in the article. Requirements for building mathematical models of shafts under reconstruction are formulated to analyze the state of stress and deformation of their lining.

Текст научной работы на тему «Моделирование работы бетонной крепи реконструируемых вертикальных стволов»

© М.В. Прокопова, К.Э. Ткачева, 2013

УДК 622.258

М.В. Прокопова, К.Э. Ткачева

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ БЕТОННОЙ КРЕПИ РЕКОНСТРУИРУЕМЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ

Выполнен анализ особенностей проектирования реконструкции вертикальных стволов шахт и рудников. Сформулированы требования к построению математических моделей реконструируемых стволов для анализа напряженно-деформированного состояния их крепи.

Ключевые слова: вертикальный ствол, реконструкция, бетонная крепь, математическое моделирование.

В настоящее время при сооружении вертикальных стволов шахт основным видом крепи является монолитная бетонная крепь, объем применения которой составляет более 90% их протяженности [1]. Анализ состояния вертикальных стволов шахт Российского и Украинского Донбасса [2—4] свидетельствует о том, что более 70% глубоких стволов имеют нарушения крепи, связанные с увеличением глубины разрабатываемых горизонтов, ухудшением горно- и гидрогеологических условий и влияния комплекса негативных факторов, вызывающих повышенные нагрузки на крепь.

Особенно в неблагоприятных условиях находятся сопряжения стволов. По данным [6], в настоящее время в странах СНГ находится около 200 шахтных стволов с нарушенными крепью и армировкой. Нарушения крепи стволов проявляются, в виде отдельных трещин, систем пересекающихся трещин, отслоений, заколов, вывалов крепи, обрушений участков крепи до вмещающих пород, изменения формы поперечного сечения ствола и т.п. Как показывает практика эксплуатации вертикальных стволов в Донбассе [3—7], часто возникают нарушения крепи и армиров-

ки, требующие мероприятий по их реконструкции, классификация которых выполнена в работе [2].

Кроме неудовлетворительного состояния крепи и армировки стволов, причиной их реконструкции может стать развитие фронта горных работ, предусматривающее отработку новых горизонтов, что приводит к необходимости рассечек новых сопряжений в действующем стволе или его углубки.

При проектировании реконструкции вертикальных стволов необходимо учитывать ряд особенностей, связанных с ведением горностроительных работ по ремонту, восстановлению, усилению, замене крепи и армировки, а также проведения дополнительных сооружений и углубки:

• напряженно-деформированное состояние (НДС) нарушенного массива, вмещающего реконструируемый ствол, существенно отличается от НДС массива, возникающего при новом строительстве, поэтому при проектировании реконструкции ствола (особенно новых сопряжений и уг-лубки) следует рассчитывать крепь и армировку на воздействие нагрузок со стороны уже нарушенного масс-сива;

• в зависимости от свойств боковых пород и типа крепи ствола, НДС массива и крепи может существенно изменяться с течением времени, поэтому при проектировании крепи реконструируемого ствола следует учитывать реологические свойства пород и период предыдущей эксплуатации ствола, а также проектируемый период эксплуатации ствола после реконструкции;

• при проектировании реконструкции воздухоподающих стволов необходимо учитывать фактический температурный режим их эксплуатации [8], в частности, при перекреплении или ремонте крепи стволов, в которых наблюдалось обледенение устьев, следует предусматривать применение морозостойких бетонов и податливых узлов крепления элементов армировки;

• проектируемые методы реконструкции должны приниматься в зависимости от условий дальнейшей эксплуатации ствола с учетом оценки влияния очистных работ, агрессивных вод, сложных горно-геологических условий и т.д. Например, если известно, что ствол в будущем будет подвергаться повторному воздействию очистных выработок, недопустимо устройство так называемых «латок», т.е. заполнения бетоном отдельных участков с оборкой разрушенной крепи. «Латки» являются более слабым участком, чем окружающая крепь, так как по их контуру сцепление с неповрежденной крепью и сопротивление на отрыв значительно меньше, чем у материала крепи. Как показывает опыт поддержания вертикальных стволов в Донбассе [9], при влиянии очистных выработок, деформации крепи, как правило, возникают в ранее отремонтированных местах;

• поскольку нарушения крепи наиболее часто возникают в местах пересечения ствола слабыми слоями пород и у сопряжения с другими выработками, деформационные швы следует рас-

полагать в пластах угля, глинистых сланцах и зонах, ослабленных геологическими нарушениями, а также непосредственно над сопряжениями с околоствольными дворами и под ними;

• при проектировании технологии и организации ведения работ по ремонту или замене крепи следует учитывать такие особенности, как: индивидуально-типовой характер производства работ, большую долю маломеханизированных процессов в общей трудоемкости работ, стесненные условия работ при отсутствии стационарного места, необходимость проведения ремонта в кратчайшие сроки вследствие снижения интенсивности эксплуатации подъемных комплексов, переменную интенсивность выполнения работ на отдельных видах оборудования, рассредоточен-ность объемов ремонтных работ по глубине ствола и др.

Правильный выбор способа реконструкции ствола зависит от надежной оценки характера и величины нагрузок, действующих на крепь при ее эксплуатации. Для принятия научно обоснованных технических и технологических решений по реконструкции стволов (ремонту, усилению крепи, рассечке новых сопряжений, углубке и др.) необходимо оценить сложившееся до начала реконструкции НДС вмещающего породного массива и крепи ствола и проанализировать перспективу его изменения в результате мероприятий по реконструкции. Наиболее простым методом качественной оценки НДС твердых тел (породных массивов, строительных конструкций и др.) является математическое моделирование с использованием современных программных комплексов, реализующих численные методы («Лира-Windows», Structure Cad, «Мономах», Plaxis и др.).

С учетом вышеперечисленных особенностей, учет которых необходим

при проектировании реконструкции стволов, можно сформулировать основные требования к построению математических моделей реконструируемых стволов методом конечных элементов:

• использование объемных конечных элементов, позволяющих точно моделировать геометрическую схему примыкающих к стволу сопряжений в соответствии с их реальными размерами и формой, а также учитывать возможное изменение характеристик пород по глубине ствола;

• задание предварительно напряженно-деформированного состояния массива, сложившегося до начала реконструкции ствола. Большинство современных программных комплексов для оценки НДС позволяют задавать не только нагрузки, прилагаемые к элементам модели, но и конкретные перемещения узлов. Таким образом, зная фактические смещения контура ствола и примыкающих выработок, можно задать начальные перемещения узлов модели и получить качественную картину НДС до момента реконструкции;

• учет конкретной горно-геологической и геомеханической обстановки, которая часто приводит к неравномерности распределения нагрузки на крепь вследствие существенного изменения свойств пересекаемых пород по глубине, определенного угла и азимута падения пород, пересекаемых стволом, образования местных ослаблений (трещин, вывалов, уменьшения толщины крепи и др.) [10];

• анализ динамики изменения НДС крепи и массива по мере рассечки, проходки и крепления сопряжений или углубки ствола в существующем поле напряжений. Динамику изменения НДС можно отследить, последовательно создавая ряд моделей, отражающих реальное

изменение фронта горнопроходческих работ с соответствующим наложением изополей напряжений и деформаций;

• учет нелинейности работы пород и материала крепи. Программные комплексы позволяют создавать как упругие, так и нелинейно деформируемые конечные элементы с описанием закона нелинейности деформации. В зависимости от свойств крепи и вмещающих пород необходимо задавать то или иное уравнение нелинейности деформации при приложении нагрузок;

• моделирование процесса на-гружения с учетом реологических свойств пород. Так как до начала реконструкции и после ее осуществления ствол может находиться в эксплуатации годы или десятки лет, то в зависимости от конкретных пород, пересекаемых стволом, могут проявляться в большей или меньшей реологические свойства, что также может быть учтено при построении модели;

• учет температурного режима работы и крепи реконструируемого ствола. Программные комплексы позволяют задавать температурные нагрузки на элементы в виде амплитуды температуры, что моделирует возникновение дополнительных термонапряжений в конструкциях. Необходимость приложения температурных нагрузок определяется вентиляционным назначением ствола и глубиной моделируемого участка [8].

• определение расчетных сочетаний усилий, позволяющее учесть, что негативные факторы (нагрузки) могут действовать неодновременно;

• прогноз участков ствола по глубине, где ожидаются максимальные смещения стенок вследствие образования мульды сдвижения от отработанных горизонтов (пластов или руд-

ных тел). Возникающие при этом дополнительные смещения можно формировать на модели путем задания перемещений соответствующих узлов (по данным фактических замеров) крепи и породы, что приведет к образованию соответствующего поля напряжений вследствие указанного фактора.

1. Напряженно-деформированное состояние нарушенной бетонной крепи ствола / A.B. Будник, А.Н. Лапко, Л.В. Жигачева и др. // Технология и проектирование подземного строительства: Вестник. — Донецк: Норд-пресс, 2003. — Вып. 3. — С. 105—109.

2. Борщевский С.В., Прокопова М.В, Ткачева К.Э. О состоянии и возможностях реконструкции вертикальных стволов шахт Донбасса // Перспективные технологии добычи и использования углей Донбасса: материалы Междунар. науч.-практ. семина ра. — Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2009. — С. 97 — 102.

3. Мониторинг состояния вертикальных шахтных стволов / В.В. Гамаюнов, A.B. Будник, Л.В. Жигачева и др.// Современные проблемы шахтного и подземного строительства. — Донецк: Норд-Пресс, 2006. — Вып. 7. — С. 154 — 160.

4. Манец И.Г., Снегирев Ю.Д., Пар-шинцев В. П. Техническое обслуживание и ремонт шахтных стволов. — М.: Недра, 1987. — 327 с.

5. О проблемах поддержания и реконструкции вертикальных стволов шахт Донбасса / С.В. Борщевский, М.В. Прокопова, К.Э. Ткачева и др. // Известия ТулГУ. Естественные науки. Вып. 3. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. — С. 245—253.

6. Борщевский С.В., Прокопов А.Ю. Исследование основных причин нарушений

Учет перечисленных особенностей позволит в полной мере оценить состояние массива пород, характер распределения напряжений вокруг ствола, проанализировать особенности эксплуатации ствола после реконструкции и принять обоснованные решения по технологии и организации реконструкции крепи и армировки ствола.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

крепи вертикальных стволов угольных шахт Донбасса // Проблеми експлуатаци облад-нання шахтних стацюнарних установок: Зб1рник наукових працъ. — Донецьк: ВАТ «НД1ГМ iM. М.М. Федорова», 2007. — С. 54—62.

7. Гамаюнов В.В., Будник A.B. Основные виды и причины нарушений крепи вертикальных стволов угольных шахт // Технология и проектирование подземного строительства: Вестник. — Донецк: Норд-Пресс, 2003. — Вып. 3. — С. 91 — 97.

8. Борщевский C.B., Прокопов А.Ю., Кулинич К.В. Дослщження теплового режиму повпряподаючих ствол1в шахт Донбас су // Проблемы горного дела и экологии горного производства: Матер. IV междунар. науч.-практ. конф. (14—15 мая 2009 г., г. Антрацит) — Донецк: Вебер, 2009. — С. 97 — 105.

9. Манец И.Г., Грядущий Б.А., Левит В.В. Техническое обслуживание и ремонт шахтных стволов: Научно-производственное издание / Под общ. ред. д-ра техн. наук Сторчака С.А. — Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд», 2008. — 596 с.

10. Прокопов А.Ю., Прокопова М.В., Ткачева К.Э. Новый подход к проектированию глубоких вертикальных стволов шахт // Современные проблемы шахтного и подземно го строительства: — Донецк: Норд-Пресс, 2009. — Вып. 10—11. — С. 291 — 297. S2E

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Прокопова Марина Валентиновна — кандидат технических наук, доцент кафедры, prokopov72@rambler.ru,

Ткачева Карина Эдуардовна — ассистент кафедры, karinatkacheva@mail.ru, кафедра «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы» Шахтинского института (филиала) ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет».

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.