CC BY
19
УДК 622.833
Сентябов Сергей Васильевич
младший научный сотрудник лаборатории геодинамики и горного давления. Институт горного дела УрО РАН, 620219, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: sentyabov1989@mail.ru
О ВЛИЯНИИ ИЗМЕНЕНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ВМАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД НА СОСТОЯНИЕ КРЕПИ СТВОЛОВ
Sentyabov S.V.
The Institute of Mining UB RAS 620219, Yekaterinburg, 58, Mamin-Sibiryak st. e-mail: sentyabov1989@mail.ru
ON THE EFFECT OF CHANGING HORIZONTAL STRESSES IN THE ROCK MASS ON THE STATE OF SHAFTS' SUPPORT
Аннотация:
Представлены результаты исследований и расчетов, выполненных Институтом горного дела Уральского отделения РАН на подземном руднике Гайского ГОКа. Выявленные расширения и сжатия Земли, происходящие синхронно с легко отслеживаемым изменением размера Солнца, требуют дальнейшего обследования и уточнения корреляционных зависимостей. Приведены расчеты и замеры напряжений в крепи стволов, которые зависят не только от физико-механических свойств пород массива, но и от времени проходки ствола и остановок при возведении крепи на время, за которое бетон набрал свою полную прочность. Возникает опасность нарушения целостности крепи стволов.
Ключевые слова: условно постоянные тектонические напряжения; напряженно-деформированное состояние крепи стволов; астрофизические напряжения; бетонная крепь; массив горных пород.
Abstract:
The results of the researches and calculations carried out by the Institute of Mining of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences in the Gaisky IW underground mine are presented. The observed phenomena of expansion and contraction of the Earth that are happening in sync with easily tracked changes of the Sun's size require further methodological examination and correlation dependences refinement. The calculations of stresses in the shafts' support that depend not only on the physical and mechanical properties of rock mass, but also on the time of shaft sinking and stops in the support construction for the time the concrete has gained its full strength are given. There is a risk compromising the integrity of the fixing trunks.
Key words: conditionally permanent tectonic stresses, stressed-strained state of the shafts' support, astrophysical stresses, concrete support, rock mass.
Напряженное состояние и геодинамическая активность верхней части Земной коры как среды обитания и техногенной деятельности человека были всегда в центре внимания. Периодически изменяющаяся интенсивность геодинамических явлений (землетрясения и горные удары) красноречиво свидетельствует об изменяющемся во времени уровне напряжений в недрах [3].
Со второй половины 1998 г. по настоящее время при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований лаборатория геодинамики и горного давления Института горного дела УрО РАН ведет экспериментальные работы по изучению изменения во времени напряженно-деформированного состояния (НДС) - геодинамической активности массива горных пород. Для этого были оборудованы наблюдательные станции на различных рудниках Урала вне зоны влияния горных работ в районе городов Краснотурьинск, Нижний Тагил, Березовский и Гай на глубинах от 420 до 1070 м.
В ходе анализа результатов работы было установлено явление периодического изменения НДС массива горных пород вследствие расширения и сжатия земной коры (Земли) с временным интервалом в среднем 11 лет [1]. Из периодической литературы известно, что исследование природы геодинамической активности удобнее всего вести во
временном ряду циклов солнечной активности (СА) [2], а напряжения, которые влияют на изменение размеров Земли, принято называть астрофизическими & [5].
Изменение НДС массива горных пород происходит вследствие добавления к действующим условно постоянным гравитационно-тектоническим напряжениям переменной величины &аф , значение которой может достигать десятков мегапаскалей (МПа).
В 2013 г. лабораторий геодинамики и горного давления ИГД УрО РАН была выдвинута новая гипотеза, в соответствии с которой напряженное состояние массива горных пород изменяется во времени, а не является постоянным, полученным в момент измерения [4] (табл.1).
Таблица 1
Гипотезы формирования природных напряжений в массиве горных пород
Автор гипотезы Гипотеза
А. Гейм, 1878 г. < = ОуП = Oz11 = -YH
А.Н. Динник, 1951 г. аП = -YH аП = ау = -AYH
N. Hast, 1960 г. ап = - YH аП = -AYH + Тх оуП = - tyH + Т2
А.В. Зубков и Ко, 2000 г. оП = - уН + Gzm + Оаф ап = -AYH + + ааф ау = -AYH+ аут + ааф , гДе ö"xm + °аф = Т1 °ут + ааф = Т2 К12 ^аф = ^ fff(t) ¿=К21
Примечание:
->х иу, uz
О'-Ло'у, о^— составляющие главных напряжений, МПа;
у- удельный вес пород, Н/м3;
Н - мощность налегающих горных пород, м; X - коэффициент бокового распора (определяемый коэф. Пуассона);
Т\, Тг - главные статические составляющие тектонических сил, МПа;
Огт°ут_ главные статические составляющие постоянных тектонических сил, МПа; оаф, £аф - временной ход астрофизических напряжений (МПа) и относительных деформаций; &аф(о - временной показатель пульсации астрофизических напряжений; ^21 суммарный вклад величин изменения НДС различных геологических циклов.
На Гайском подземном руднике (г. Гай) астрофизические напряжения стали измерять сразу же после измерения гравитационно-тектонических напряжений. Поэтому прогноз изменения напряжений во времени здесь можно делать уверенно. При расчете использованы инструментально определенные параметры напряжений, представленные в табл. 2.
Т аб л и ц а 2
Первоначальные напряжения, действующие в массиве пород месторождения
Год проведения измерений Глубина Н, м Субмеридиональное, ~~ 01, МПа Субширотное, 02, МПа Вертикальное 07, МПа Тектонически пульсирующие, Оаф, МПа
1998 830 -19 -40 -22 -7
2004 910 -20 -42 -25 -4
2008 1070 -32 -49 -33 -9
Для того чтобы рассчитать напряжения в крепи в интересующий нас момент времени, нужно знать величину первоначальных напряжений ст™. Для этого нужно из результатов измерений (табл. 3) вычесть оттого момента, когда были сделаны замеры и прибавить оаф в интересующий момент (рис. 1).
&)Вт'м2
Ш8г-
........................................................
ро ре рч- Рв оо о: о* о® из 12 1-е- И5 го
+ Гай вН.Тапш 1 Березовский 4 Красншурыиск хУчалы ОАбягса <* Екатеринбург
Рис. 1 - Изменение НДС массива на рудниках в городах Урала и Алтая на фоне изменения излучения Солнца
Величины первоначальных гравитационно-тектонических напряжений без учета астрофизических напряжений представлены в табл. 3.
Таблица 3
Первоначальные гравитационно-тектонические напряжения без учета астрофизических напряжений
Год проведения измерений Глубина, Н, м Субмеридиональное, П 01, МПа Субширотное, 02, МПа Вертикальное, 07, МПа
1998 830 -12 +^аф -33 +СТаф -22
2004 910 -16 +^аф -38 +СТаф -25
2008 1070 -23 +СТаф -40 +СТаф -33
Следовательно, если крепление ствола проводилось в период минимума СА, то уменьше-ниеоаф в последующем приведет к появлению в крепи растягивающих напряжений, которые частично будут компенсированы сжатием крепи в период ее возведения. Если крепление ствола проводилось в период максимума СА, то увеличениеоаф в последующем приведет к увеличению сжатия крепи в дополнение к сжатию в период ее возведения. В практике подобные комбинации могут быть самыми разнообразными, если учесть, что крепь возводится в промежутках между максимумом и минимумом оаф.
С целью оценки устойчивости крепи стволов на руднике были сделаны предварительные расчеты напряжений, действующих в крепи на горизонтах -830, -910 и -1070 м, для условий, когда действуют гравитационные уН и тектонические ат напряжения и бетонная крепь, возведенная у забоя, набрала полную прочность и упругость из-за остановки проходки. Схема расчета (рис. 2) и методика представлены ниже:
Рис. 2 -Схема к расчету напряжений в крепи
°9(х) - ^-Б [°П(Кх(х) - КХ(х)) + ^^(у) - КХ(у)) + <^(Кх(2) - КХ(г))]<
2
°0(у) --р-[а"(Ку(х) - КУ(х)) + °П(Ку(у) - КУ(у)) + а2(Ку(2) - К1(2))]'
где О0(х),О0(у) - главные горизонтальные напряжения, МПа;
Еб - модуль упругости бетона; Еп - модуль упругости породы;
Кх(х), Ку(х)... - условные коэффициенты концентрации напряжений о(х), О(у), 0ф по осям Х и У.
Т аб л и ц а 4
Расчетные напряжения в бетонной крепи
Горизонт Верх кольца Низ кольца
02, МПа 01, МПа 02, МПа 01, МПа
-830 м -8,5 -0,77 -15,3 -0,6
-910 м -8,7 -0,9 -15,8 -0,8
-1070 м -8,8 -1,2 -16,6 -1,8
На основании полученных результатов (табл. 4) установлено, что на участках, где проходку приостанавливали на время, когда бетон набирал свою полную прочность, в крепи ствола возникали максимальные напряжения. Величины рассчитанных напряжений на горизонте -830 м и ниже имеют незначительный запас прочности и практически близки к нормативной прочности бетона, равной для Б25 М300 18 МПа. На этих участках есть опасность нарушения крепи стволов.
В процессе исследований на месторождении натурные определения напряжений, действующих в крепи стволов, проводились при помощи модифицированного метода щелевой разгрузки. Измерения были проведены на глубине 830, 910, 990, 1070 и 1390 м Гай-ского подземного рудника. Деформации измерялись индикатором часового типа между реперами до разгрузки и после нее. Для разгрузки массива используется щель, выполненная при помощи колонкового перфоратора [6]. При этом она имеет строго определенные параметры и форму полудиска с радиусом ^щ=0,3 м. Из-за большого объема и сложности бурения (общая длина шпуров около 3 м) метод довольно трудоемок. При выполнении НИР метод был значительно модернизирован за счет использования в качестве режущего инструмента бензорезов последнего поколения. При этом данное оборудование полностью автономно и не требует подключения к магистралям сжатого воздуха, привязки к электрическим сетям и водопроводу, что существенно увеличивает круг его использования.
Вместе с этим реперы также претерпели изменения. Вместо съемных цанговых реперов использовались постоянные оловянные, установленные по обе стороны от щели на осевой линии. Это позволило снизить себестоимость их производства, а также появилась прекрасная возможность производить изменения напряженного состояния во времени.
По результатам измерений с помощью нового метода были получены деформации и пересчитаны в напряжения, действующие на контуре выработки (табл. 5).
Таблица 5
Результаты расчета напряжений на контуре выработки методом щелевой разгрузки
на шести станциях
1-я станция (горизонт -830 м) 2-я станция (горизонт -910 м) 3-я станция (горизонт -990 м) 4-я станция (горизонт -1070 м) 5-я станция (горизонт -1390м) 6-я станция (горизонт -1390 м)
-4,6МПа -4,6МПа -1,1МПа -2,3МПа -1,1МПа -2,3МПа
Полученные величины напряжений в крепи (при непрерывной проходке) отличаются от теоретических за счет того, что бетон не набрал полную прочность и деформировался пластично.
Литература
1. Зубков А.В. Закономерности формирования напряженно-деформированного состояния земной коры Урала во времени / А.В. Зубков и др. // Литосфера. - 2010. - №1. -С. 84 - 93.
2. Яковлев Д.В. О взаимосвязи геодинамических событий в шахтах и рудниках с циклами солнечной активности / Д.В. Яковлев, Б.Г. Тарасов // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли: тр. междунар. конф. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2001. -С. 56 - 65.
3. Милановский Е.Е. Развитие и современное состояние проблем расширения и пульсации земли / Е.Е. Милановский // Проблемы расширения и пульсации Земли. - М.: Наука, 1984.- С. 8 - 24.
4. Зубков А.В. Периодическое расширение и сжатие Земли как вероятный механизм природных катаклизмов / А.В. Зубков // Литосфера. - 2013. - № 2. - С. 145 - 155.
5. Зубков А.В. Горнотехнические условия отработки колчеданных месторождений / А.В. Зубков // Уральский горнопромышленный форум V. Колчеданные месторождения -геология, поиски, добыча и переработка руд: материалы: Всерос. науч. конф. Чтения памяти С.Н. Иванова / УрО РАН, Институт геологии и геохимии УрО РАН и др. - Екатеринбург, 2013. - С. 60 - 62.
6. Зубков А.В. Геомеханика и геотехнология / А.В. Зубков. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2001. - 333 с.
