CC BY
13
выполняя геодезические работы с GPS-оборудованием. приобрели опыт и квалификацию, позволяющие выполнить любой вид маркшейдерских и геодезических работ для горных предприятий. Вместе с этим Институт является официальным представителем фирмы Trimble (США), ведущего производителя GPS-оборудования.
Непосредственная работа со спутниковым навигационным оборудованием позволила сотрудникам Института приобрести уровень эрудиции и квалификации в этой области, достаточный для выполнения роли консультантов и посредников Отечественным предприятиям, принявшим решение о модернизации своей технологии. Институт может оказать следующую помощь:
- провести предварительную проработку целесообразных направлений использования GPS-технологий;
- подобрать подходящий прототип среди зарубежных предприятий, использующих GPS-технологии, с целью ознакомления и оценки результативности их применения;
- оказать консультативные услуги в подборе зарубежных подрядчиков и возможных инвесторов на разработку и реализацию проектов использования GPS-технологий;
- оказывать консультативну ю помощь горному предприятию на протяжении всего периода проектирования, реализации проекта и последующей эксплуатации GPS-технологий.
Заключение
В заключение необходимо еще раз отметить: для того, чтобы Россия не стала еще беднее, чем сейчас, необходимо отечественным горнодобывающим предприятиям обеспечить стабильность и конкурентоспособность. И эволюционный путь здесь не поможет. Требуется увеличение производительности труда в разы. А этот путь лежит только через внедрение в производство'современных технологических достижений.
Две страны в мире создали и совершенствуют свои спутниковые навигационные системы: США и Россия Их плодами сегодня пользуется весь мир И будет жаль, если Россия, затратившая большие усилия на создание глобальной системы, окажется «в хвосте» на поприще се использования. Будет жаль, если плодами се усилий воспользуются другие страны, в том числе и европейские, и на базе се достижений будут и впредь реструкту ризировать се долги
УДК 622.281
А.Е. Балек
НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ КАПИТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ ЗАПРЕДЕЛЬНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ
На Строящейся шахте «Центральная» Донского ГОКа ( г. Хро.мтау) проводились работы по проходке и креплению выработок водоотливного комплекса рудного двора ствола Вспомогательный на гор. - 160 м (глубина 560 м). Горный массив на этом участке по своим инженерно-геологическим свойствам в целом типичен для шахты и представлен сильно трещиноватым серпентинитом по дун игу скрытокристаллической структуры, массивной текстуры. Трсщиноватость практически хаотичная (во всяком случае не менее 30 систем трещин различных азимутов). Для всех трещин характерно крутое падение (70-90 град). Исходя из задачи обеспечения у стойчивости капитальных выработок в массиве, можно выделить два уровня структурной иерархии:
I уровень - структурные блоки с линейными размерами от 0,5-1 до 2 м, оконтуренные трещинами мощностью до 2-5 см, местами до 10 см. Повсеместно трещины заполнены серпентинитом, талькобрейнеритом. милонитом. Характерны зеркала скольжения
II уровень - структурные блоки с линейными размерами от 2-3 до 10 см, местами до 20 см. разбивающие блоки I у ровня и оконтуренные трещинами мощностью от долей миллиметра до 1 см. Трещины этого уровня также в большинстве случаев заполнены ссрпофитом. талькобрейнери-том, милонитом.
Более мелкие структурные уровни, установленные в процессе лабораторных исследований образцов различных размеров, на устойчивость выработок влияния не оказывали. Как расчеты, так и практика проходческих работ свидетельствовали, что нару шения условия прочности приконтур-ного массива происходили по плоскостям существующих систем трещин при любом соотношении и ориентировке главных нормальных напряжений, т.е. в рассматриваемых условиях реализовалась геомеханическая задача специального предельного равновесия.
Проходку выработок осуществляли буровзрывным способом, причем насосну ю камеру -послойно сверху вниз с подвиганием уступов от южного к северному торцу (рис. 1). Крепление выработок комбинированное: арочная крепь из спецпрофиля СВП-22 с шагом установки и соответственно отставанием от забоя 0,5 м. с сетчатой металлической затяжкой и последующим возведением монолитного бетона марки ВЗО, а в насосной камере - железобетона. Железобетоном также было закреплено сопряжение ствола При проходке выработок происходили многочисленные самообрушения и отслоения пород кровли и, местами, забоя выработок, вызванные низким сцеплением между структу рными блоками, особенно I иерархического уровня Наиболее крупное са-мообрушснис (около 140 м1) произошло при проходке верхнего слоя насосной камеры, после чего начали применять гибкую опережающу ю крепь из металлических штанг. Водоприток при проходке практически отсутствовал.
В октябре 1989 г. в момент начала проходки наклонного трубно-кабельного ходка сечением 9 м: из насосной камеры к стволу (на отметку -143 м) в бетонной и железобетонной крепи выработок руддвора появились многочисленные деформационные нарушения, в результате чего дальнейшие проходческие работы были приостановлены. К этому времени в рассматриваемом районе (см. рис. 1), кроме проходки трубно-кабельного ходка и водосборников, оставалось вынуть уступ объемом около 100 м у северного торца насосной камеры, а также лоследний слой мощностью 1 м под фундамент насосов. Кроме того, отсутствовала бетонная крепь в камере центральной подземной подстанции (ЦПП) и ходке в насосную камеру Визуальное обследование выработок позволило сгруппировать все разнообразие деформаций и нарушений крепи в следующие характерные виды:
- в стенках выработки сопряжения на участках протяженностью около 15 м по обе стороны от ствола и в насосной камере - горизонтальные, слабонаклонные и наклонные открытые трещины мощностью от долей миллиметра до 1 мм; в ряде мест наблюдались трещины по периметру выработки сопряжения, приуроченные к рамам металлической крепи:
Г'
Рис. 1. Схема проведения натурных исследований в рудном дворе гор. - 160 м ствола Вспомогательный в пространстве:
/ - моста замеров напряжений метолом щелевой разгрузки; II - репорные линии; III - глубинны реперы; IV - участок
установки стеклянных маяков, I - ствол Вспомогательный; 2 - камера ЦПП. 3 - насосная камера; •/ - тр><5но-кабельный ходок. 5 • ходок; б - уступ
в кровле насосной камеры и рассечке ствола - трещины и отслоения сдвигово-отрывного характера, местами сопровождаемые выпиранием арматуры с образованием петель с прогибом до 5-10 см (см. рис. 1);
- в стенке ствола ниже сопряжения со стороны ходового отделении - горизонтальные трещины. сопровождаемые чешуйчатым отслоением бетона;
- в ходовом отделении ствола в стенке, отделяющий ходок от ствола. - выколы бетона с обнажением и деформацией вертикальных арматурных стержней;
- в кровле ходка - продольные трещины сдвигово-отрывного характера.
Для изучения напряженно-деформированного состояния крепи выработок рудного двора и прилегающего горного массива был проведен комплекс натурных исследований с применением следующих методов:
1. Для замеров абсолютного (фактического) напряженного состояния участков бетонной и железобетонной крепи - метод щелевой разгрузки, заключавшийся в установке на контуре крепи двух реперов с последующим выбуриванием между ними щели шириной 20-30, глубиной 6-18 см и измерением изменения расстояния между реперами с помощью индикатора часового типа (точность отсчета 0,01 мм). Модуль упругости бетона для последующего расчета напряжений определяли в соответствии с ГОСТ 2445-80 по образцам, выбуренным в соответствии с ГОСТ 10180-78 на участках проведения замеров.
2. Для замеров относительных деформаций (конвергенции) крепи - метод реперных линий. заключавшийся в установке реперов в диаметрально противоположных стенках выработки и последующих замерах изменения расстояния между ними с помощью маркшейдерской рулетки с нониусом и динамометром (точность отсчета 0,1 мм).
3. Для замеров относительным деформаций горного массива - метод глубинных реперов, заключавшийся в установке реперов у забоя и на устье скважины и последующих замерах изменения расстояния между ними с помощью штангенциркуля (точность отсчета 0,1 мм) по соединительной тяге, закрепленной на глубинном репере.
4. Для контроля за деформированием крепи во времени - метод стеклянных маяков, заключавшийся в установке на трещит- нарушенной бетонной крепи стеклянной пластинки с г >-следующим фиксированием момента се разрушения
5. Для исследования трещи новатости горного массива - метод электрометрического каротажа скважин диаметром 100 мм в варианте четырехэлсктродной симметричной системы», а также оптическое зондирование скважин и шпуров с помощью перископического прибора РВП.
Места натурных измерений представлены на рис. 1, схема проведения исследований во времени - на рис. 2.
гк, | I ! » I I I
—С-»'. А_. гНг!
ПрПХО'1К£ • WK.VK.1K4I
ьдысри
ноябрь
11
3 4
4 >1)
деьлбрь | ии^'ь
1
рд..ь л 16
Рис. 2. Схема проведения натурных исследований в ру дном дворе гор. -160 м ствола Вспомогательный во времени:
I - нарушение маяка, 2 - замеры но ренерным линиям соответственно в выработках и скьа-жинах, 3 - установка маяков, их количество,
4 - взрывы в карьере, количество ВВ. т.
5 - замеры метолом щелевой разгрузки
I ¿»ре* шГ)
Л
X.
июнь ' толь | мгугг ' сс-та^г»'*
Р
дуимкоя
р _? \\ ;
октябрь ] I 1к»'>рь лёклбрк , ¿.н1а1>'ц " ' ;-1
трип и
ИММИО
(■иг»!Х.> УСТУП» I
д 18
I
шЛ
»•
установка ШТ|1!1Г
I 1 < I II I -¿¡¡г, ---
фсирл-<ь млр
»
\
Г/проходои трубно-хабспиюго хеш
\
I
Ь ______
«ХПяод». ГЮ*ор». ' ДС*мК>>'Ч> Г" йийрь Г 4*вр.г.1. ' »«(П
* 4 « ' У
И'пк ЯГ^Т? ! СС1ГТ*ор1,
1
1 апрель "Г" »«и*" " икни
-1
и -2
й"3
1-4
' Элсктромстричсскнс исследования выполнены В.В.Скрипченко
211
Замеры напряжений на контуре ствола Вспомогательный были проведены 21.10.89 на отметках -143 м (точки / и 2) и 160 м (точка 5). Щели вертикальные, т.е. замерялись тангенциальные напряжения, действующие в горизонтальном направлении. Замеры выполнены в нижних частях заходок крепи, на 0,5 м выше границы заходки Ранее, в 1986 г., на отметке -143 м в тех же местах были выполнены аналогичные измерения, которые показали в точке / сжимающие напряжения на уровне 8 МПа, а в точке 2-16 МПа (при среднеквадратической ошибке ±3 МПа). Замеры напряжений в стенках нарушенной крепи насосной камеры и выработки сопряжения были проведены 22 10.89 г. - 27.10.89 г. В точках 4. 5. 6. 7 - горизонтальные щели на высоте около 1 м от почвы выработок; в точке 8 - горизонтальная щель 0.9 м ниже замка свода крозли камеры; в точке 9 -вертикальная щель на 2,8 м ниже шатра свода. Резу льтаты замеров представлены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты замеров напряжений в бетонной крепи
Номер точки Параметры щели Деформация Модуль упругости бе- Замеренные напряжения.
1.-а-Г. см реперов, >гм тоги, 1Т1а МПа
1 31-15-14 0.16 21 12±3
2 31-15-14 0.28 19 16±3
3 20-6-9 0.09 20 15±3
4 31-18-14 0 17 0±3
5 33-17-14 0 17 0±3
6 30-17-14 0 17 0±3
7 31-14-14 0.05 17 3±3
8 33-14-14 0 17 0±3
9 30-10-14 0 17 0±3
* ¿. а. 1 - соответственно, ширина разгрузочной щели, ее глубина и расстояние между реперами Сжимающие напряжения приняты с положительным знаком.
Репсрные линии установлены 28.10.89 г. в насосной камере и выработке сопряжения Все линии горизонтальные на высоте около 1 м от почвы выработок, за исключением линий 10 и 11 (см. рис. 1) Результаты представлены в табл. 2, где приведены изменения (приращения) деформаций по каждой линии относительно очередного предшествующего замера.
Таблица 2
Относительные деформации реперных линий, 104 о.е.д.
Номер Первона- Дата замера
линии чальный
(28 10.89 г.)
базис линии.
мм 18.12.89 г. 27.12.89 г. 04.01.90 г. 23.01.90 г. 31.01.90r. 16 02.90 г.
1 3586.4 -2,0 +4.2 0 -2.2 -2.8 +0,3
2 3673.5 -0.3 0 0 -0.5 -0,3 . +0,3
3 3800,2 0 -1.6 + 1,0 + 15,5 -3,2 -13,4
4 3895.0 +3.1 -0.5 0 +7.4 -13.1 +1,3
5 2506.0 +1,6 -4.0 +2.4 +4,4 -6.4 -2.0
6 5466.0 -2.7 +0.9 -0,9 0 -1.1 0
7 5802.4 -4.1 -0.2 -0,2 +3.1 -3.7 +0.2
8 2098.5 0 +3.4 0 +0.9 -4.1 +0.3
9 1614.0 0 -37.6 -0.5 +54.5 -15,7 -1.9
10 1622.2 +3,1 -5.5 0 +1,2 -0.6 -0.6
11 1678.0 +0.6 -9.5 +3.0 +6.0 -2.4 -0.6
Примечание. Положлггсльный знак соответствует растяжению реперной линии.
52 стеклянных маяка были установлены на трещины бетонной крепи в стенках и кровле выработки сопряжения. В последующем 10 раз на место нарушенных маяков устанавливали но-
зыс; таким образом, всего было установлено 175 маяков. Контроль за их состоянием был вменен в обязанности сменному мастеру с ежесменной фиксацией в специальном журнале. Даты и количество нарушенных маяков представлены на рис.2.
Глубинные реперы в скважинах длиной 12,5 м, пробуренных под углом 30° из насосной камеры (см. рис. 1), установлены 05.04.90 г. Результаты замеров в виде приращений относительных деформаций представлены в табл. 3.
Таблица 3
Относительные деформации глубинных реперов, 104 о.е.д.
Номер скважииы Первоначальный (05.04.90 г.) Дата замера
Оазис, м 03.07.901. 14.09.90 г. 26.10.90 г. 31.10.90 г. 11 12.90 г. 23.01.91 1.
1 12,5 +8,0 -0,5 0 -2.0 -1.0 -
2 12.5 -7.5 +0.5 +0.5 + 1.0 -2.5 -3.0
Примечание. Положительный знак соответствует растяжению
Электрометрический каротаж скважин длиной 12,5 м, пробу ренных параллельно реперным на расстоянии около 20 см, выполняли одновременно с замерами деформации глубинных реперов В табл. 4 представлены изменения удельного электросопротивления породных стенок (усредненно по всей длине скважины) относительно предшествующего замера.
Замеры на контуре бетонной крепи ствола показали, что напряжения находятся на пределе нормативной прочности на сжатие бетона марки В30, составляющей 17 МПа. Сравнение же их с данными 1986 г. указывало на приращение тангенциальных сжимающих напряжений, действующих в широтном направлении (точка 1\ на 50 %. Прирост напряжений в меридиональном направлении (точка 2) находился в пределах точности замеров В пределах точности метода щелевой разгрузки оказались и напряжения в стснках горизонтальных выработок, а именно не выше ±3 МПа
Таблица 4
Изменения относительного удельного электросопротивления пород, %
Номер Дата замера
скважины 05 04 90 г 05.07 90 г. 14 09 90 г 26 10 90 г 31 10 90 г 11.12 90 г 23 01 91 г
1 100 + 120 -25 -30 -15 +50
2 100 -40 +35 +15 +40 +90 -140
Примечание. Положительный знак соответствует увеличению электросопротивления.
Выполненный в феврале 1990 г. каротаж скважин, пробуренных из насосной камеры и камеры ЦПП в сторону ствола, показал, что амплитуда изменения кажу щегося удельного электрического сопротивления пород в стенках этих скважин превышала 4000-5000 Ом м. В то же время в скважинах, пробуренных из насосной и противоположное направлении, в сторону ненарушенного горного массива, она не превышала 200 Ом м (за исключением трехметрового участка у устья). Качественные различия в состоянии горного массива на этих участках были подтверждены и оптическим зондированием: в скважинах, пробуренных в сторону ствола, зафиксированы многочисленные сдвиговые смещения по блоковым трещинам амплитудой до 1-1,5 см.
Замеры по реперным линиям зафиксировали деформацию выработок как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях, сопровождающуюся дальнейшим раскрытием трещин в бетонной крепи (возникновения новых трещин не отмечалось) При этом на фоке преобладающей тенденции (тренда) к сжатию наблюдалась знакопеременная временная ритмичность, т.е. сжатие линий чередовалось с их растяжением Наиболее явственно это проявляется при анализе приращений деформаций, как это представлено в табл. 2, где знакопсрсмснность деформаций для наглядности выделена цветом Очевидна синхронность в деформировании участков размерами 10-15 м.
Аналогичные колебания с таким же порядком амплитуд, как и у рсперных линий, зафиксированы по глубинным реперам (см. табл. 3). Это согласуется и с данными электрометрического каротажа скважин, базирующегося на том. что деформация растяжения породного массива вызывает раскрытие трещин и соответственно увеличение электросопротивления, и наоборот. В результате замеров были зафиксированы знакопеременные изменения относительно удельного электросопротивления. достигающие 120-140 % (при погрешности порядка 30 %), происходившие синхронно по всей длине скважины (см. табл. 4).
Ежесменные наблюдения за стеклянными маяками показали, что вышеописанные знакопеременные изменения напряженнс-деформированного состояния крепи и прилегающего массива происходили неравномерно: периоды массовых подвижек чередовались с периодами «затишья». При этом не прослеживалась связь с сейсмическим воздействием массовых взрывов в карьере «Объединенный», на борту которого расположен ствол Вспомогательный. На рис. 2 для первых четырех месяцев наблюдений приведены время и количество ВВ, взорванного на расстоянии около >00 м (по прямой) от рудного д«ора гор -160 м
Проведенные исследования позволили установить механизм формирования нагрузок на крепь выработок рудного двора и причины нару шения крепи, на основании чего были разработаны и внедрены рекомендации по продолжению строительства. На основании анализа произошедших нарушений крепи, замеров ее фактического напряженно-деформированного состояния и изменений его во времени составлено заключение о переходе горного массива рудного ствола Вспомогательный в запредельное напряженно-деформированное состояние Вследствие повышенной концентрации напряжений в зоне взаимного влияния выработок произошло нарушение сплошности массива по существующим плоскостям ослабления с последу ющим дискретным деформированием его как блочной системы В результате изменились условия формирования нагрузки на крепь горизонтальных выработок: режим взаимовлияющей деформации сменился режимом заданной нагрузки в комплексе с режимом заданной деформации. Расчеты, выполненные на основе же-сткопластической модели деформируемой среды, показали, что на крепь насосной камеры и выработки сопряжения действуют нагрузки: вертикальная 1,1 МПа, горизонтальная 0,55 МПа - и что для обеспечения устойчивости выработок необходим боковой подпор 0,5 МПа. Технико-экономический анализ показал, что наиболее рациональный вариант - это укрепление штангами породного целика между насосной камерой и выработкой сопряжения совместно с усилением железобетонной крепи насосной камеры и завершением возведения бетонной крепи в ходке и камере ЦПП. Усиления крепи других капитальных выработок не требовалось. В качестве штангового крепления были применены стальные перфорированные трубы диаметрам 85 мм, 'зацементированные в скважинах диаметром 105 мм, разбуренных из выработки сопряжения по 2 веера с обеих сторон ствола с максимальным расстоянием между скважинами 2 м. Насосная камера была усилена железобетоном, в результате чего общая толщина ее крепи в стенках и кровле составила 0,8 м.
Дальнейшие натурные исследования, проводимые в процессе проходки трубно-кабельного ходка, подтвердили эффективность предложенных технических решений. Измерения по рсперным линиям показали, что амплитуда колебаний напряженно-деформированного состояния крепи и прилегающего массива уменьшилась практически на порядок, причем по окончании проходческих работ происходило затухание этих колебаний (см. рис. 2). В последующем строительство было приостановлено по экономическим причинам, и в настоящий момент шачта находится на сухой консервации. Однако, как свидетельствуют визуальные обследования, все вышеуказанные выработки находятся в устойчивом состоянии
