CC BY
117
— Геология —
УДК 622. 267.4 М. М. Иудин
основные положения термомеханического взаимодействия породного массива и крепи горной выработки
Разработаны основные положения термомеханического взаимодействия массива многолетнемерзлых горных пород и крепи горной выработки на основе условия совместности деформаций. Эти условия наиболее адекватно удовлетворяют геомеханическим условиям деформирования мерзлых горных пород в разных температурных состояниях.
Ключевые слова: Крепь, горная выработка, массив горных пород, зона протаивания, термомеханическая модель, деформирование горных пород, расчет параметров крепи.
В основу современных методов проектирования и расчета параметров крепи вертикальных стволов положены обобщения результатов аналитических и экспериментальных исследований процессов деформирования породного массива и крепи выработки [1]. Эти обобщения сделаны по принципу совместного деформирования системы «массив горных пород - вертикальный ствол» (МГП - ВС), который дает возможность учитывать влияние различных геомеханических ситуаций, возникающих при эксплуатации вертикальных стволов, на расчет параметров крепи выработки. В основе принципа лежит условие контактного деформирования при-контурного слоя массива горных пород и конструкции крепи вертикальной выработки. Принцип совместного деформирования позволяет комплексно учитывать различные виды деформаций породного массива, которые можно разделить на деформации, вызванные собственно проведением вертикального ствола, и на деформации, обусловленные осложненными горногеологическими, геокриологическими и горнотехническими условиями. Это дает возможность использовать комбинированный способ расчета составляющих системы взаимодействия.
Способ охраны вертикальных стволов зависит от развития геомеханических представлений о напряженно-деформированном состоянии массива, давлении на крепь и взаимосвязи деформаций крепи и околостволь-ного массива [2]. Характер деформирования горных пород вокруг вертикального ствола предполагает, что можно классифицировать основные режимы взаимодействия крепи выработки и породного массива по следующим признакам:
- заданной нагрузки, когда крепь выработки нагружается весом объема сползающей разрушенной породы;
- заданной деформации, когда реактивное сопротив-
ИУДИН Михаил Михайлович — к.т.н., профессор ГРФ, СВФУ
E-mail: [email protected].
ление крепи практически не влияет на величину перемещений объема приконтурного слоя породного массива;
- взаимовлияющей деформации, когда смещения породного массива вокруг ствола заметно зависят от сопротивления и перемещения крепи как конструкции [3].
Изучение напряженно-деформированного состояния породного массива с применением методов теории упругости, пластичности, ползучести на основе механизма совместного деформирования позволяет объяснить многие проявления горного давления на крепь вертикального ствола [4, 5, 6, 7, 8, 9]. Анализ ранее выполненных исследований показывает, что наиболее значимые и приемлемые для практики результаты по прогнозу нагрузок на крепь выработки получаются при рассмотрении процессов взаимного деформирования породного массива и конструкции крепи. Установившееся горное давление (средняя нагрузка) на крепь вертикального ствола следует определять из уравнения совместности смещения породного контура и внешней поверхности крепи [2, 6, 9]:
Ц. (^ = U0 + U ^), (1)
где и^(Р) - смещение породного контура к моменту установления статического равновесия в системе крепь -массив; ио - начальные смещения породного контура до момента ввода крепи в работу; и(Р) - смещение внешнего контура крепи при статическом равновесии в системе крепь - массив.
Выражение (1) состоит из аддитивных слагаемых. Следовательно, компоненты смещений, слагающих уравнение, можно рассчитывать раздельно, что позволяет для каждого элемента предлагать самостоятельные, независимые расчетные схемы и постановки задачи. В этом смысле условие (1) является универсальным по своим возможностям решать прикладные задачи по прогнозу нагрузок на крепь выработки при допредельном, запредельном деформировании горных пород [4].
При решении прикладных задач механики подзем-
ных сооружений слагаемые уравнения (1) определяются из предположения упругого деформирования горных пород. Например, смещение породного контура к моменту установления статического равновесия в системе крепь - массив при допредельном деформировании пород предлагается вычислять по формуле, предложенной И. В. Баклашовым и Б. А. Картозия [4]:
3(д - р)^ Е
(2)
и формуле К. В. Руппенейта и Ю. М. Либермана [9]:
(д - Р) Яо
2Gn
КПК)
20
о^Ю + К/Л Р + К/Л
Т(Я) = К±М ог(Я) = д" к
к =
1 + 1 к ■cos р
1+ Х
х = -
sln р
1 - sln р ’ 1 - sln р
и„(Р)=
Я(2^ + <тсж)
2С„Е„(\ + Л)
— + ■
о:Г - *)
2 /3 + 1
(5)
2к ■ собр 1 - БШ Р
'0 , (3)
где q - начальные напряжения в массиве пород; Р -реакция крепи выработки; Еда - длительный модуль деформации пород; G0 - мгновенный модуль сдвига G0 = о^ю; Rв - радиус вертикального ствола; Gю - длительный модуль сдвига.
Если модуль сдвига пород представить модулем деформации через известную зависимость G = Е/(2 + 2v) и приравнять коэффициент Пуассона v=0,5, то выражение
(3) полностью совпадет с выражением (2).
Выражение (2) показывает, что смещение породного контура выработки определяется при условии упругого деформирования пород. Расчетная схема задачи имеет простую систему нагружения внешними силами: на поверхности обнажения выработки задаются силы реакции крепи, а на бесконечности массива - давление пород, определяемое в месте расположения выработки.
В случае предельного деформирования при образовании вокруг выработки пластической области смещение породного контура и^(Р) будет определяться формулой [9]:
где в - коэффициент поперечной деформации; гп - радиус области запредельного состояния, определяемый из решения трансцендентного уравнения [уравнение (6.46) 4].
Чтобы исследовать характер изменения смещения и^(Р) от величины реакции крепи Р, были выполнены расчеты по данным работы И.В. Баклашова, Б.А. Карто-зии [4] :а = 25 МПа; р = 30 ; с = 30 МПа; Е = 104 МПа;
•- -* А 7 • о~ сж 7 да
Яв = 3,25 м. Результаты расчетов по формулам (2) и (4) представлены в таблице 1.
Таблица 1
Зависимость смещения породного обнажения от реакции крепи, мм
Формула Реакция крепи, Р, МПа
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
(2) 12,2 12,1 12,0 11,9 11,8 11,6
(4) 13,0 12,9 12,7 12,5 12,4 12,3
(4)
Характер зависимостей показывает общее уменьшение смещений породного контура при повышении несущей способности конструкции крепи вертикального ствола, хотя в практике эксплуатации выработки иногда данное правило нарушается. Другой момент, не отраженный в методах расчета крепи выработки: замена упругих свойств горных пород на их длительные модули с целью учесть временной фактор недостаточно обоснована в данной расчетной схеме. Предлагаемая расчетная схема не позволяет учесть данное обстоятельство, которое подчеркивает необходимость проводить исследования, прежде чем применять эти методы расчета для конкретных геомеханический условий.
Начальные смещения породного контура, произошедшие до момента ввода крепи в работу, при деформировании массива пород на допредельной ветви определяются по формуле [4]:
где к, р - коэффициент сцепления и угол внутреннего трения пород.
Аналогичная формула для расчета смещений породного контура с учетом запредельной области деформирования имеет вид [4]:
и
2 Е,
-/41/2 Я0
1 ( \ т
а + (1 - а )ехр V ^ У-
_
(6)
где ^, ^ - коэффициенты, учитывающие технологию проведения выработок; а, т, tp - параметры, учитывающие временное отставание возведения постоянной крепи
3
от забоя выработки; Е0 - модуль упругости пород.
При выводе формулы предполагалось, что способы выемки породы в забое выработки и возведение постоянной крепи существенно влияют на характер деформирования породного обнажения, но на упругой стадии деформирования породы весьма затруднительно обосновать данное положение. Смещение внешнего контура конструкции крепи определяется из следующих соображений: предлагается учитывать возможные деформации за счет уплотнения забутовки или тампонажного раствора; для отдельных видов крепи (тюбинговая, сборная крепь) необходимо определить возможные деформации из-за зазоров между элементами конструкции; основная составляющая смещения находится по условию жесткости самой конструкции как сплошного твердого тела. Эта составляющая вычисляется через действующую нагрузку со стороны горного массива с учетом упругого отпора крепи, определяемого через коэффициент жесткости, который учитывает тип, материал и геометрические параметры крепи [4].
Рассмотренные примеры расчета нагрузок на крепь выработки подтверждают целесообразность применения уравнения (1) в различных горно-геологических условиях.
Таким образом, условие (1) является основным при описании механизма взаимодействия породного массива и крепи выработки. Возможность определять составляющие (1) независимо друг от друга позволяет увязать широкий класс практических задач, возникающих при строительстве горных выработок, с многообразием горно-геологических условий.
Проведение и крепление вертикального ствола является сложным технологическим процессом с большим сроком строительства. Длительный период строительства становится причиной возникновения разных геоме-ханических ситуаций в массиве пород при проведении и креплении вертикальных выработок, обусловленных тепловыми процессами в приконтурном слое породного обнажения.
Как известно, при проветривании забоя ствола происходит массообмен вентиляционного и атмосферного воздуха. Тепловой режим вентиляционного воздуха в выработке определяется температурными параметрами атмосферного воздуха в районе строительства вертикального ствола.
Конвективный теплообмен вентиляционного воздуха с мерзлыми породами, происходящий из-за температурного градиента на поверхности породного обнажения, нарушает естественное температурное поле массива и образует вокруг выработки область теплового влияния. Учитывая температурную зависимость физикомеханических свойств пород, можно предположить изменение распределения напряженно-деформированного состояния в области теплового влияния. С учетом знакопеременного характера годового цикла температуры воз-
духа следует рассматривать различные геомеханические схемы взаимодействия крепи и массива горных пород в разные периоды проведения и крепления вертикального ствола.
Рассмотрим случай зимней выемки породы в забое вертикального ствола. Примем следующее положение: постоянная крепь в выработке возводится с некоторым отставанием во времени от поверхности забоя в соответствии с циклограммой организации проходческих работ. Далее возможны два варианта относительно теплового влияния холодного вентиляционного воздуха на естественный температурный режим породного обнажения. Предположим, что временной интервал между углублением забоя в массив пород и возведением постоянной крепи небольшой, или расстояние от поверхности забоя до постоянной крепи составляет 1-3 м, тогда можно пренебречь тепловым влиянием вентиляционного воздуха и считать температуру породного обнажения равной естественной температуре мерзлой породы. В случае если отставание возведения постоянной крепи ствола от забоя во времени достаточно большое, то поверхность породного обнажения будет дополнительно охлаждаться холодным воздухом, и температура породы будет понижаться. При определении параметров взаимодействия крепи и массива пород рекомендуется не учитывать влияние промерзания породного обнажения, а принять естественный температурный режим приконтурного слоя породного обнажения за основу. В данном случае положительный эффект от промерзания породного обнажения (понижение температуры поверхности) всегда пойдет в расчетный запас. Таким образом, при проведении и креплении вертикального ствола в зимний период целесообразно исходить из естественного распределения температуры пород по глубине массива. Следовательно, до момента установки постоянной крепи выработки перемещения породного контура будут определяться деформированным состоянием массива мерзлой породы.
В летний период проведения вертикального ствола для проветривания забоя подается атмосферный воздух с положительной температурой. Теплый воздух вызывает увеличение интенсивности теплообмена с мерзлыми породами. Процесс передачи тепла в массив значительно ускоряется по сравнению с зимним периодом. Это приводит к достаточно быстрому прогреву приконтурного слоя породного обнажения. Глубина теплового влияния зависит от времени контакта теплого воздуха с породами. При возведении постоянной крепи после обнажения мерзлой породы, когда массив не успевает оттаять, можно считать перемещение породного контура до возведения крепи результатом деформирования мерзлого массива пород (это положение отнесем к расчетному запасу при определении нагрузки на крепь вертикального ствола). Если породное обнажение находится длительное время без крепления, и в результате теплообмена с теплым воздухом произошло оттаивание мерзлых пород на глубину
более 0,2 метра, то под перемещением породного контура до ввода постоянной крепи следует считать деформацию породного контура оттаявшего массива мерзлых пород при данных размерах зоны протаивания.
Таким образом, в летний период строительства вертикального ствола имеются особенности в геомехани-ческом трактовании величины перемещения породного контура до возведения постоянной крепи, обусловленные тепловым влиянием вентиляционного воздуха на температурное состояние породного обнажения массива мерзлой породы.
Пластическое деформирование мерзлых пород ввиду разнообразия типов структуры, текстуры и физикомеханических свойств многофазной системы является сложным явлением для прогнозирования при взаимодействии породного массива с крепью горной выработки. Из всех компонентов мерзлой породы наиболее подверженным пластическому деформированию считается лед. Условия протекания деформационных процессов в чистом льде как в отдельном твердом теле приводят в зависимости от уровня напряженного состояния к смене механизмов деформирования льда. Порядок изменения деформирования кристаллов льда соответствует следующей схеме: сначала наблюдаются пластические деформации, а затем по мере роста напряжений наступают хрупкие деформации. Наличие большого количества размеров и форм кристаллов льда предполагает множество путей реализации механизмов деформирования и их развитие от уровня действующих напряжений.
Принцип совместного деформирования системы «крепь выработки — массив горных пород» дает возможность учитывать влияние новых геомеханических ситуаций, возникающих при эксплуатации горной выработки, на расчет параметров крепи. В основе принципа лежит условие контактного деформирования приконтур-ного слоя массива горных пород и внешней поверхности конструкции крепи выработки. Принцип совместного деформирования позволяет комплексно учитывать различные виды деформаций породного массива, которые можно разделить на деформации, вызванные собственно проведением выработки, и на деформации, обусловленные осложненными горно-геологическими, геокриологическими и горно-техническими условиями. Это дает возможность использовать комбинированный способ расчета составляющих системы взаимодействия.
Уравнение совместности перемещений контура породного обнажения и внешней поверхности крепи выработки описывается формулой (1).
Пластические деформации в отличие от упругих накапливаются в породном массиве даже в случае снятия причин, их вызвавших. Для многолетнемерзлого массива пород пластические деформации имеют температурную зависимость, особенно при фазовом переходе. Необходимо учитывать многократные процессы изменения температурного состояния, при которых происходит рост пла-
стических деформаций, целесообразно формулировать разные постановки геомеханических задач, соответствующие температурным режимам многолетнемерзлого породного массива вокруг выработки. Тогда влияние роста пластических деформаций в процессе эксплуатации выработки можно учитывать через условие совместности деформаций (1), к которой можно применить принцип суперпозиции. Учет пластических деформаций по условию (1) можно осуществить двумя способами. С одной стороны, можно рекомендовать накапливать расчетные значения пластических деформаций в компоненте условия (1), характеризующего смещение породного контура к моменту установления статического равновесия в системе «крепь - массив»:
и_ (P) = ! и,, (7)
Условие модифицируем следующим образом:
и _ (Р) = (б - Р)! 4
(8)
где Q, А - коэффициенты, определяемые из решения задачи о напряженно-деформированном состоянии породного массива.
Тогда параметры взаимодействия будут определяться непосредственно из условия (1).
В режиме взаимовлияющей деформации породного массива слагаемую условия (1), относящуюся к величине смещения контура поверхности крепи выработки, представим в виде:
и(Р) = В ■ Р , (9)
где Р - расчетная нагрузка на крепь выработки, определяемая как результат совместного деформирования породного массива и крепи; В - коэффициент, определяемый из решения задачи о напряженно-деформированном состоянии крепи выработки.
Параметры взаимодействия породного массива и крепи выработки по условию (1) составят:
Р =
б! Л, - и0 В+! л,
(10)
Анализ выражения показывает, что с накоплением пластических деформаций в породном массиве происходит увеличение значений расчетной нагрузки на крепь выработки. Причем величина увеличения нагрузки будет определяться величиной исходной силовой нагрузки в породном массиве.
Если взаимодействие происходит в режиме заданной деформации, то можно получить аналогичным образом расчетную нагрузку и в этом случае:
Р =
(11)
Второй способ заключается в возможности накапливать пластические деформации в компоненте начальных смещений породного контура до момента ввода крепи в работу:
40 = !и,.
(12)
В данном случае необходимо при каждом суммировании пластических деформаций определять параметры взаимодействия породного массива и крепи выработки. Например, для режима заданной деформации породного массива расчетная нагрузка на крепь выработки будет равна:
Р =
4 .-!4,
В
(13)
А общую нагрузку на крепь выработки можно определить суммированием расчетных параметров взаимодействия:
Робщ. =! Р
(14)
В этом способе учета пластических деформаций сложность решения задачи заключается в правильном определении компоненты и^(Р) условия (1). Те приемы, которые применяются в геомеханических задачах, будут неприемлемы в рассматриваемом варианте, хотя возможность таким образом определять нагрузку на крепь выработки является вполне логически обоснованной.
Таким образом, предлагается два способа расчета параметров взаимодействия многолетнемерзлого породного массива и крепи, учитывая, что породный массив на протяжении длительного периода эксплуатации выработки в зависимости от сезонных изменений температурного режима пород имеет тенденцию постепенно накапливать пластические деформации в приконтурной области породного обнажения.
Для решения геомеханических задач предложено много подходов, предложений, обобщений, натурных наблюдений, положенных в основу разработки классификаций механических моделей взаимодействия. Только некоторые из них могут служить методическим инструментом при выполнении теоретических исследований [3,
8, 10, 11]. Например, в работе Г. Н. Кузнецова и др. [11] приведена классификация расчетных схем по механическим моделям взаимодействия массива горных пород с инженерными конструкциями подземных сооружений. Основой классификации являются модули, составленные по следующим признакам: приложение нагрузки и условия контакта, механические модели массива горных пород, механические модели инженерных конструкций.
При всей общности классификация слишком усложнена рассмотрением второстепенных факторов, которые затрудняют ее применение для анализа взаимодействия системы «МГП - ВС». На наш взгляд, наиболее полно составлена классификация расчетных моделей взаимодействия массива и крепи выработки в работе Н. С. Булычева и Х. И. Абрамсона [8], в которой отражены процессы деформирования разных типов горных пород. Выделено упругое, пластическое, реологическое деформирование горных пород. По каждой механической модели в классификации определены основные факторы, влияющие на нагруженность и режим деформирования крепи выработки. В свою очередь, это дает возможность использовать условие совместного взаимодействия массива и крепи вертикального ствола в зависимости от литологического типа горных пород.
Анализ применимости данной классификации к расчету крепи вертикальных стволов, пройденных в многолетней мерзлоте, позволяет ограничиться рассмотрением некоторых механических моделей, отражающих особенности деформирования многокомпонентного, многофазного массива мерзлых пород и грунтов.
Эксплуатация вертикальных выработок в районах Севера осложняется необходимостью поддержания крепи в устойчивом состоянии в мерзлом массиве. Эти особенности обусловлены в основном характером взаимодействия крепи ствола с массивом мерзлой породы, который существенным образом определяется состоянием температурного поля приконтурного слоя породного массива. Практика показывает, что при сохранении пород вокруг выработки в мерзлом естественном состоянии условия обеспечения устойчивости ствола более благоприятные, чем при оттаивании этих пород. Это объясняется цементирующим действием замерзшей воды в порах и трещинах, которая соединяет трещиноватые породы в монолитный массив, обеспечивая тем самым повышенную прочность мерзлых пород. При оттаивании льда нарушается связность, ослабевает сцепление отдельных кусков, блоков мерзлых пород. Вследствие этого изменяются прочностные и деформационные свойства в приконтурном слое. Кроме того, под влиянием изменяющейся геомеханической обстановки вокруг выработки по причине зависимости физико-механических свойств пород от температуры происходят процессы, вызывающие дополнительное деформационное нагружение крепи ствола. Изменение основных механических свойств многолетнемерзлого массива пород связано с образованием зоны протаивания вокруг вертикальной выработки. Следовательно, в расчетных схемах взаимодействия массива пород и крепи вертикального ствола в условиях многолетней мерзлоты основным фактором, влияющим на нагруженность крепи, является размер зоны протаи-вания, который выражает все аспекты протекания термомеханических процессов. Классификацию моделей взаимодействия массива пород и крепи вертикального
Таблица 2
Термомеханические модели взаимодействия многолетнемерзлого массива горных пород и крепи вертикального ствола
Наименование термомеханической модели Основные факторы, формирующие нагруженность крепи вертикального ствола Деформационный режим взаимодействия системы
1. Упругая Напряжения в нетронутом массиве, зона протаивания с учетом изменения механических свойств мерзлых горных пород Взаимовлияющая деформация
2. Жестко-пластическая Напряжения в нетронутом массиве, размер зоны протаивания Заданная нагрузка на крепь ствола
3. Упруго-вязкая Напряжения в нетронутом массиве, реологические изменения механических свойств мерзлых горных пород в зоне протаивания Взаимовлияющая деформация
4. Упруго-пластическая Напряжения в нетронутом массиве, соотношения зоны пластических деформаций и зоны протаивания мерзлых пород Взаимовлияющая деформация
ствола в условиях Севера можно представить в следующем виде (табл. 2).
Анализ влияния тепловых процессов на устойчивость вертикальных выработок и формирование нагрузки на крепь вертикальных стволов в многолетнемерзлых горных породах показывает, что на механические процессы в породном массиве существенное влияние оказывает температурное воздействие вентиляционного воздуха в выработке. При проектировании и эксплуатации шахт и рудников, расположенных в зоне многолетней мерзлоты, большое значение имеет обоснованное прогнозирование температурного режима приконтурного слоя породного обнажения выработки. Определение температуры воздуха и пород в каждом сечении выработки по ее длине можно осуществить, решая сопряженную задачу теплообмена вентиляционного воздуха с окружающими породами.
Условия поддержания вертикального ствола в эксплуатационном состоянии обуславливаются тепловым режимом в выработке и характером теплообмена с мерзлыми породами. При естественном и умеренном тепловых режимах конструкция крепи ствола находится под воздействием знакопеременных тепло-массообменных процессов, приводящих к периодическому оледенению и увлажнению крепи и сезонному оттаиванию мерзлых горных пород. Глубина сезонного протаивания определяется теплофизическими свойствами пород и параметрами теплового режима. Комплексное рассмотрение вопросов подземной отработки месторождений в области многолетней мерзлоты приводит к необходимости внедрения положительного теплового режима на рудниках и шахтах Севера. Следовательно, необходимо решать вопросы проектирования параметров крепи вертикальных выработок с учетом новых термомеханических ситуаций в массиве многолетнемерзлых пород.
Напряженно-деформированное состояние мерзлого массива пород исследовалось при условии, что в вертикальном стволе поддерживается температура вентиляционного воздуха равная естественной температуре мерзлых пород. Данное условие позволяет исключить тепловое влияние выработки на напряженно-деформированное
состояние приконтурного слоя массива мерзлых горных пород. Принятое допущение о равенстве температур вентиляционного воздуха и мерзлых горных пород является логически правдоподобной, исходя из теплофизических соображений. Во-первых, если вертикальный ствол проводится в зимнее время, то температура воздуха в стволе находится ниже естественной температуры пород. В этом случае, учитывая малый промежуток времени до возведения постоянной крепи и небольшой расход воздуха в забое ствола, можно пренебречь изменением температурного поля в массиве пород из-за его значительной тепловой инерции. Кроме того, в зимний период рекомендуется производить подогрев холодного воздуха до умеренных отрицательных температур, близких к естественной температуре горных пород, с целью создания приемлемых санитарно-гигиенических условий для горнорабочих и технических условий для оборудования. Это также увеличивает обоснованность принятого допущения. Во-вторых, если вертикальный ствол проводится в летний период, то температура воздуха в стволе будет выше температуры пород. Здесь можно утверждать, что по вышеуказанным причинам изменение температурного поля приконтурного слоя породного обнажения будет минимальным, которое при отсутствии ее учета всегда пойдет в «запас» на этапе расчета устойчивости крепи выработки. С учетом этих предположений напряженно-деформированное состояние многолетнемерзлого массива горных пород анализируется при оценке протекания термомеханических процессов в зоне протаивания мерзлого породного массива.
Механизм деформирования многолетнемерзлого породного массива в зоне протаивания исследуется в рамках упругой, упруго-вязкой, упруго-пластической и жестко-пластической модели (табл. 2). При определении параметров взаимодействия крепи вертикального ствола и породного массива целесообразно учитывать в расчетах только дополнительные перемещения породного контура выработки.
При взаимодействии крепи вертикальной выработки с породным массивом возможны два варианта деформирования породного обнажения при образовании зоны
протаивания вокруг выработки в мерзлом массиве пород. Происходит равномерное смещение контура пород по периметру ствола, что приводит к одинаковой средней радиальной нагрузке по поперечному сечению. Деформирование породного обнажения повторяет характер неравномерности нагружения расчетной схемы, что вызывает неравномерность нагружения крепи выработки.
1. Оценка параметров деформирования в режиме заданной деформации имеет значение при расчете крепления выработки. Например, можно определить максимальное воздействие оттаивающего массива мерзлой породы на крепь выработки или при заданной несущей способности крепи вертикального ствола вычислить необходимую толщину податливого слоя в конструкции.
2. Совместное деформирование крепи выработки с породным массивом предполагает задание внутренних усилий на контуре обнажения равным реакции отпора конструкции крепи. Неравномерность исходных силовых нагрузок в массиве должно адекватно формировать распределение нагрузки на крепь вертикального ствола по поперечному сечению.
Методы расчета крепи вертикального ствола базируются на следующих теоретических положениях.
1. Крепь вертикального ствола представляется конструкцией, нагруженной в режиме заданной нагрузки, при этом применяются методы строительной механики. Значение нагрузки на крепь ствола равно величине горного давления, которая определялась весом пород в своде возможного обрушения вокруг выработки. Деформации крепи и породного массива не принимаются во внимание при расчете горного давления. Крепь как конструкция не может оказывать обратного влияния на величину и характер распределения нагрузки по периметру выработки. Методы расчета крепи вертикальных стволов разрабатываются с позиций развития геомеханики породного массива.
2. С накоплением базы данных о неравномерности распределения заданной нагрузки по периметру сечения крепи вертикального ствола развиваются методы расчета, в которых действующие нагрузки разделяются на активные и пассивные составляющие. Это положение позволяет учесть перераспределение внутренних усилий в крепи и, тем самым, расчетным путем добиться эффективного использования несущей способности конструкции крепи ствола.
3. Геомеханическое взаимодействие массива горных пород с крепью вертикального ствола является основным положением в методах расчета крепи выработки. Данные теоретические положения включают разные методы расчета крепи вертикальных стволов, применяемые в различных геомеханических условиях породного массива. Одни методы ориентированы на решение контактной задачи теории упругости для плоскости с вырезом, подкрепленным однослойным или многослойным кольцом с различными условиями на контакте [4]. Например,
решение Г. Н. Савина [12], К. В. Руппенейта [13]. Другие методы основаны на воздействии крепи со стороны породного массива в виде заданных активных и реактивных нагрузок, которые определяются по фактическим данным экспериментально-аналитическим способом [3].
Общий метод расчета крепи выработок круглого сечения, основанный на применении коэффициентов передачи нагрузок, разработан под руководством Н. С. Булычева [7]. Метод рассчитан на различные виды нагрузок и воздействий от начальных гравитационных, гидростатических, сейсмических и тектонических напряжений и пригоден для многослойных конструкций. Коэффициенты передачи нагрузок определяются последовательно для всех слоев расчетной схемы по матричным формулам. Далее последовательно вычисляются напряжения на контактах слоев конструкции по рекуррентной формуле. По этим значениям определяются тангенциальные напряжения на границе каждого слоя. В конце расчета производится оценка прочности крепи путем сравнения вычисленных напряжений с характеристиками прочности материала крепи выработки.
И. В. Баклашов и Б. А. Картозия [4] разработали метод расчета крепи выработки, применяемый для однослойной и многослойной конструкции кругового очертания, нагруженной суммарной, активной и реактивной радиальной силой, распределенной по периметру в виде:
Р = Р0 + Р2 С08 20 , (15)
где рю - гидростатическая нагрузка, рд - средняя нагрузка от горного давления, ю - коэффициент неравномерности.
Кроме расчета напряженно-деформированного состояния конструкции методами теории упругости производится проверка несущей способности элементов крепи при разных сочетаниях активной и реактивной сил. Если условия не соблюдаются, то либо изменяются геометрические характеристики конструкции, либо подбирают материал крепи по прочностным свойствам.
Нами обобщены основные направления методов расчета в виде модифицированного подхода к расчету параметров крепи вертикального ствола на основе совместного деформирования с многолетнемерзлым породным массивом.
Взаимодействие породного массива и крепи выработки можно описать условием совместного деформирования (1), являющимся по своей сути аддитивной величиной, что позволяет самостоятельно изучать отдельные ее составляющие. Анализ условия (1) показал, что величина и(Р) является суммой возможных смещений контура крепи от деформаций уплотнения забутовочного мате-
риала, тампонажного раствора, от закрытия конструктивных зазоров и т. д. Для разработки методики расчета параметров крепи вертикальных стволов, пройденных в многолетнемерзлых породах, будем исходить из того, что физическое состояние крепи практически не влияет на деформации конструкции, а определяется напряженным состоянием от воздействия породного массива, т. е. предполагаем, что качество возведения крепи должно соответствовать проектным решениям.
Для многослойных конструкций можно применить следующую процедуру. В результате расчета однослойной конструкции в режиме заданной деформации получим средние нагрузки на крепь вертикального ствола, которую будем считать активной внешней силой, воздействующей на крепь. Далее можно применить метод И. В. Баклашова [4] или метод Н. С. Булычева [7] к расчету параметров конструкции.
Основным условием, описывающим процесс взаимодействия крепи вертикального ствола с массивом многолетнемерзлых пород, можно считать уравнение совместности смещений (1). При рассмотрении деформирования породного массива в соответствии с расчетными схемами компоненты радиальных перемещений целесообразно разложить на составляющие: начальные, дополнительные и полные. В процессе взаимодействия крепи выработки и массива пород активно участвуют дополнительные и полные компоненты всех типов перемещений условия (1). Совместное деформирование породного массива и крепи выработки предполагает два способа взаимодействия, которые вытекают из геомеханическо-го обоснования строительства вертикальных стволов на рудниках Севера.
Вариант 1 - учитываем только дополнительные перемещения. Считаем, что начальные перемещения в составляющих уравнения (1) не влияют на параметры совместного деформирования крепи выработки и породного массива, т.к. предполагаем, что к моменту возведения постоянной крепи ствола начальные перемещения горных пород реализовались в момент их выемки, а тепловое влияние не могло повлиять на геомеханическое состояние мерзлого породного массива. Это положение позволяет учитывать в явном виде изменение термомеханического состояния МГП на параметры взаимодействия с крепью вертикального ствола.
Вариант 2 - принимаем во внимание полные перемещения при расчете параметров взаимодействия. Этот
вариант необходим для полной оценки максимально возможной нагрузки на крепь выработки от конкретного термомеханического фактора и может служить пороговой величиной в наиболее экстремальных геомеханиче-ских ситуациях, развиваемых в породном массиве, которые не могут быть реализованы в практике, но которые нельзя исключить из возможного сценария развития гео-механических процессов в массиве.
Таким образом, разработаны основные положения разработки термомеханического взаимодействия массива многолетнемерзлых горных пород и крепи горной выработки на основе условия совместности деформаций, которая наиболее адекватно удовлетворяет геомеханическим условиям деформирования мерзлых горных пород в разных температурных состояниях.
Л и т е р а т у р а
1. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи // ВНИМИ, ВНИИОМШС Минугле-прома СССР. М.: Стройиздат, 1983. 272 с.
2. Акимов А.Г, Хакимов Х.Х. Обеспечение безопасной эксплуатации шахтных стволов. М.: Недра, 1988. 216 с.
3. Крупенников ГА., Булычев Н.С., Козел А.М., Филатов Н.А. Взаимодействие массивов горных пород с крепью вертикальных выработок. М.: Недра, 1966. 314 с.
4. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкции крепей. М.: Недра, 1984. 415 с.
5. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механические процессы в породных массивах. М.: Недра, 1986. 272 с.
6. Белаенко Ф.А. Расчет крепи стволов шахт на больших глубинах в условиях Донецкого бассейна // Разработка угольных месторождений на больших глубинах. М., 1955. - С. 2532.
7. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. М.: Недра, 1982. 270 с.
8. Булычев Н.С., Абрамсон Х.И. Крепь вертикальных стволов шахт. М.: Недра, 1978. 304 с.
9. Руппенейт К.В., Либерман Ю.М. Расчет крепи вертикальных шахтных стволов. М., 1961. 32 с.
10. Заславский Ю.З., Мостков В.М. Крепление подземных сооружений. М.: Недра, 1979. 325 с.
11. Кузнецов Г.Н., Ардашев К.А., Н.А. Филатов и др. Методы и средства решения задач горной геомеханики. - М.: Недра, 1987. 248 с.
12. Савин Г.Н. Давление горных пород на крепление вертикальных шахт // Записки Института горной механики. АН УССР, 1947. № 5. С. 45-51.
13. Руппенейт К. В. Некоторые вопросы механики горных пород. М.: Углетехиздат, 1954. 236 с.
M. M. Iudin
Substantive provisions of thermomechanical interaction of the massif rock and timbering mine workings
Substantive provisions of thermomechanical interaction of massif frozen rocks and timbering mine workings on the basis of a condition of compatibility of deformations are developed. These conditions most adequately satisfies to geomechanical conditions of deformation of frozen rocks in different temperature conditions.
Key words: Timbering, mine working, massif of rocks, a zone thawing, thermomechanical model, deformation of rocks, calculation of parametres timbering.
УДК.551(571.56)
Т. Е. Михайлова, Л. М. Фартунатова, Л. Г. Сандакова
СТРАТИГРАФИЯ И КОРРЕЛЯЦИЯ ВЕРХНЕПЕРМСКИХ ОТЛОЖЕНИЙ ВИЛЮЙСКОЙ СИНЕКЛИЗЫ НА ОСНОВЕ ПАЛИНОЛОГИЧЕСКИХ ДАННЫХ
Приведена краткая палинологическая характеристика разрезов, вскрытых скважинами Средне-Тюнгской 231 и242, Барыканской
2, Байской 1, Мастахской 17, Неджелинской 18. Полученные четыре палинокомплекса позволили определить временные уровни в разрезах, а также внести уточнения в схему стратиграфии верхнепермских Вилюйской синеклизы.
Ключевые слова: стратиграфия, корреляция, верхнепермские отложения, палинологические комплексы, анализ, споры, пыльца,
возраст, Вилюйская синеклиза.
В результате систематизации и обработки большого фактического материала, полученного в палинологической лаборатории при анализе верхнепермских проб из сверхглубоких скважин Вилюйской синеклизы, были выявлены палинокомплексы, которые являются ключевыми для расчленения и корреляции верхнепермских толщ, вскрытых этими скважинами. В настоящее время существующая «Схема стратиграфии верхнепалеозойских отложений Вилюйской синеклизы» (рис. 1) построена, в основном, на основании изучения литологического, петрофизического и палеонтологического материала, собранного за многие годы исследователями этих отложений [1, 2, 3, 4]. В разные годы проводилось палинологическое изучение, однако оно носило фрагментарный характер [3, 5, 6]. Наши исследования позволили внести уточнения в схему стратиграфии.
На основе выявленных нами комплексов миоспор можно не только проследить закономерности развития
МИХАЙЛОВА Татьяна Евгеньевна - старший методист группы палинологического анализа ГУГГП РС(Я).
ФАРТУНОВА Любовь Михайловна - ведущий специалист палинологического анализа ГУГГП РС(Я).
САНДАКОВА Людмила Геннадьевна - доцент кафедра поисков и разведки МПИ ГРФ СВФУ E-mail: [email protected]
позднепермской флоры этого региона, но и установить характерные признаки комплексов миоспор каждого стратона, позволяющие определить их временные уровни в удаленных друг от друга разрезах и коррелировать эти отложения.
Полученный нами первый палинокомплекс из 20 спектров миоспор проб хомустахской толщи (рис. 2), вскрытой скважинами Средне-Тюнгской 242 (глубины 37383854 м) и 231 (глубины 3442-3468,5 м), Быраканской 2 (глубины 3352-3531,5 м), Байской 1 (глубины 2772-2882 м), характеризуется доминированием спор папоротников, среди которых наиболее многочисленны шиповатые споры: Spinosisporites rectispinus (Ibr.)Lub., S. parvispinus Lub., Apiculatisporites hispidus (Andr.)Dr., Acanthotriletes sp., Raistrickia cornuta (Andr.)Lub., R. exacuta (Andr.)Dr., R. abtusosaetosa Lub. R. sp. Несколько реже - Neoraistrickia,
- составляющие в сумме от 17,0% до 52,0%, (в среднем -около 30,0%).
Заметную роль играют гладкие споры подгруппы Leiotriletes, в основном, треугольных очертаний типа Leiotriletes extensus Lub., L. triangulus Pet., L. sp ., процент которых в основном составляет 10,0-16,0%, но разброс равен 4,0-27,0%.
Постоянно и часто в большом количестве встречают-
