CC BY
19
УДК 622.831
О НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ КРЕПИ В УСЛОВИЯХ ПРИМЕНЕНИЯ НОВОАВСТРИЙСКОГО СПОСОБА РАЗРАБОТКИ ПОПЕРЕЧНЫХ СЕЧЕНИЙ ВЫРАБОТОК
Виктор Михайлович Серяков
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией, тел. (383)205-30-30, доп. 124, e-mail: vser@misd.ru
Проведено математическое моделирование процесса перераспределения напряжений в элементах крепи и в приконтурном массиве при применении новоавстрийского способа раскрытия поперечных сечений выработок. Установлены зоны концентрации растягивающих и сжимающих напряжений и их изменение по мере развития горных работ. Обсуждается влияние исходного поля напряжений на механическое состояние элементов крепи.
Ключевые слова: породный массив, выработка, напряжения, деформации, крепь, поперечное сечение, новоавстрийский метод, математическое моделирование, зоны концентрации.
STRESS STATE OF SUPPORTS WHEN USING NEW AUSTRAIN PROCESS TO ADVANCE CROSS-SECTIONS OF MINE WORKINGS
Viktor M. Seryakov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, D. Sc., Professor, Head of Rock Mechanics Laboratory, tel. (383)205-30-30, extension 124, e-mail: vser@misd.ru
The mathematical simulation of stress redistribution in support members and in peripheral rock mass is implemented in the case of application of new Austrian penetration process to open cross-sections of mine workings. Zones of tension and compressive stresses and their variations with face advance are established. Influence of initial stress field on mechanical state of support members is discussed.
Key words: rock mass, mine working, stress, strain, supports, cross section, new Austrain method, mathematical simulation, concentration zones.
Строительство камерных выработок, имеющих большую площадь поперечных сечений, осуществляется в несколько этапов [1,2]. На каждом этапе проходится выработка, имеющая относительно малую площадь сечения, контур которой крепится сначала временной, затем постоянной крепью. После завершения всех проходческих и крепежных работ (раскрытия поперечного сечения выработки) образуется выработка с необходимой площадью поперечного сечения. На практике применяются несколько схем развития очистных работ: опертого свода; опорного ядра; новоавстрийский метод [3] и т.п. Последовательность проходческих работ с поэтапным формированием крепи оказывает значительное влияние на напряженно-деформированное состояние, как ее элементов, так и окружающих выработку пород [3,4].
В работах [5,6] предложен метод расчета напряжений и деформаций в элементах крепи и в приконтурном массиве с учетом последовательности работ по проходке и
креплению границ выработанного пространства. На его основе разработан комплекс программ для расчета механического состояния системы «крепь - вмещающий массив» методом конечных элементов [7,8] и проведено моделирование процесса перераспределения напряжений при применении двух способов раскрытия поперечного сечения выработки: а) с первичной отработкой подсводовой части выработки; б) с первичным формированием вертикальных элементов крепи. В настоящей статье рассмотрено напряженное состояние крепи и вмещающего массива в условиях применения новоавстрийского способа раскрытия поперечного сечения выработки.
На рис.1 показана последовательность развития горных работ и возведения элементов крепи, характерная для новоавстрийского способа разработки. После проходки на очередном этапе развития горных работ выработки малого сечения ее контур закрепляется временной крепью из набрызгбетона или податливой арочной крепью. Крепь превращает приконтурный слой в грузонесущую конструкцию, которая деформируется за счет разгрузки окружающих пород от исходных напряжений, и воспринимает на себя их большую часть. Постоянную крепь возводят после того как основной этап разгрузки массива от действующих в нем исходных напряжений закончен. Вследствие этого постоянная крепь воспринимает незначительную нагрузку и ее деформирование и нагружение происходит в основном вследствие дальнейшего развития горных работ и образования выработок малых сечений. Такая постановка задачи расчета полей напряжений в элементах крепи и в приконтурном массиве с учетом последовательности работ использована при разработке программного комплекса расчета напряженно-деформированного состояния системы «крепь-приконтурный массив».
Рис. 1. Последовательность раскрытия поперечного сечения выработки при применении новоавстрийского способа разработки
Расчеты выполнены для условий плоской деформации, справедливых в случае значительных размеров выработки и элементов крепи в направлении, перпендикулярном рассматриваемому сечению массива. На боковых границах расчетной области были заданы нулевые значения горизонтальной компоненты вектора смещений и и касательной компоненты тензора напряжений Тху. Эти условия отвечают исходному напряженному состоянию массива с компонентами тензора напряжений:
а°у = -РН; =-у$Н /(1 - V); т° = 0, и реализуются в регионах, где отсутствует тек-
5-й этап 3-й этап 2-й этап
6-й этап
4-й этап
0 0 0
тоника [9]. Здесь ах, ау, тху - нормальные и касательная компоненты тензора напряжений; р - объемный вес пород; Н - расстояние до земной поверхности. Ось Ох направлена по горизонтали, Оу — по вертикали. Верхняя граница расчетной области свободна от действия внешней нагрузки. На нижней границе полагались нулевыми вертикальная компонента вектора смещений V и касательная компонента тензора напряжений Тху. Механические свойства вмещающих пород приняты следующими: модуль Юнга Е = 25000 МПа; V = 0.25. Для материала крепи Е = 30000 МПа; V = 0.35. Объемный вес пород равен 0.03 МН/м3.
На рис. 2 приведены изолинии главных напряжений а! и а2 в элементах крепи и в приконтурном массиве после завершения третьего этапа раскрытия поперечного сечения выработки. Часть крепи, закрепляющая подсводовую часть выработки, деформируется вследствие проведения горных работ на втором и третьем этапах проходки и в механическом отношении соответствует освобождению границ выработок, формируемых на этих этапах, от действующих здесь нормальных и касательных напряжений.
а) б)
Рис. 2. Распределение в крепи и в приконтурном массиве главных напряжений а!(а) и а2(б) после завершения третьего этапа раскрытия поперечного сечения выработки при применении новоавстрийского способа проходческих работ
В целом крепь находится под действием незначительных напряжений. Однако обращают на себя внимание зоны крепи, в которых формируются значительные напряжения растяжения. В одной из таких зон величина напряжений превышает 7,5 МПа (рис. 2а). Ее возникновение связано со вторым этапом развития горных работ и с дальнейшим ростом уровня напряжений после выполнения третьего этапа. Во второй зоне значения растягивающих напряжений значительно ниже и они не превышают 2 МПа. Эта зона формируется после выполнения второго этапа горных работ; третий этап горных работ не оказывает существенного влияния на качественное и количественное распределение здесь напряжений. В окружающих выработку породах поведение напряжений отвечает основным закономерностям их распределения вокруг выработанных пространств с соответствующим формированием областей концентрации главных напряжений.
На рис. 3 показаны изолинии главных напряжений а! и а2 в системе «крепь-приконтурный массив» после завершения работ по формированию и креплению вы-
работки с большой площадью поперечного сечения. Поэтапное развитие работ по проходке и креплению выработки с большой площадью поперечного сечения приводит к несимметричному распределению напряжений в крепи. Наиболее характерно это для распределения главного напряжения 01 (рис. 3, а). В процессе реализации пятого и шестого этапов развития горных работ в вертикальных элементах крепи, возводимых на этих этапах, формируются значительные по размерам зоны действия растягивающих напряжений. Их значения превосходят 10 МПа. В симметричных, относительно оси Ох, областях крепи, формируемых на втором и четвертом этапах горных работ зоны растяжения по размерам меньше, а уровень растяжения существенно ниже (до 2 МПа).
Рис. 3. Распределение главных напряжений 0](а) и 02(6) в крепи и приконтурном массиве после завершения горных работ по раскрытию поперечного сечения выработки при применении новоавстрийского способа отработки
Таким образом, применение разработанных алгоритмов к определению напряженно-деформированного состояния крепи и приконтурных пород при использовании новоавстрийского способа раскрытия поперечного сечения выработки позволяет рассмотреть характер распределения полей напряжений в крепи по мере развития работ, связанных с ее поэтапной проходкой. При проведении настоящих исследований рассмотрены поля напряжений, формируемые в крепи только за счет развития горных работ, т.е. единственным фактором нагружения системы «крепь-приконтурный массив» являются снимаемые с контура каждой выработки нормальные и касательные напряжения. Такое предположение вполне оправдано в условиях применения новав-стрийского способа разработки поперечных сечений выработок. Появление в крепи значительных зон растягивающих напряжений связано с учетом последовательности разработки поперечного сечения выработки. В некоторой степени на их величины может оказать влияние условия жесткого контакта между контуром выработки и элементами крепи, принятые при постановке геомеханической задачи. Степень такого влияния можно оценить, используя на границах контакта другие условия, допускающие проскальзывание берегов контактирующих сред и их раскрытие [7].
а)
б)
Выводы
1. Расчет напряженно-деформированного стояния массива горных пород в окрестности выработки с учетом последовательности горных работ по раскрытию ее поперечного сечения оказывает качественное и значительное количественное влияние на напряженное состояние крепи.
2. Установлено, что в условиях применения новоавстрийского способа поэтапного возведения элементов крепи в их объеме формируются зоны действия растягивающих напряжений, достигающие пределов прочности материала крепи на промежуточных этапах ведения горных работ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Картозия Б.А., Федунец Б.И. Шахтное и подземное строительство: Учебник для вузов. Т.2. Издательство МГГУ «Горная книга». 2003. 815 с.
2. Булычёв Н.С. Механика подземных сооружений.- М.: Недра, 1994.- 278 с.
3. Протосеня А.Г., Долгий И.Е., Огородников Ю.Н. Шахтное и подземное строительство в примерах и задачах. Издательство С.-Пб. Горного института им. Плеханова. 2003. 312 с.
4. Насонов И.Д., Федюкин В.А., Шуплик М.Н. Технология строительства подземных сооружений - М., Недра, 1992, 285 с.
5. Серяков В.М. О расчете напряженного состояния крепи и приконтурных пород при поэтапной разработке поперечного сечения протяженной выработки. // ФТПРПИ, 2015, №4. С. 43-49.
6. Серяков В.М. Напряженное состояние элементов крепи при различных способах раскрытия поперечного сечения выработки в скальных массивах. // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук, Т.2, 2015. С. 149-152.
7. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир. 1975, 589 с.
8. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра, 1987, 246 с.
9. Турчанинов И.А., Иофис М.А., Каспарьян Э.В. Основы механики горных пород. - Л.: Недра, 1989. — 488 с.
© В. М. Серяков, 2017
