CC BY
29
© Д.М. Казикаев, C.B. Сергеев, 2013
УДК 622.272
Д.М. Казикаев, C.B. Сергеев
ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ КРЕПИ СТВОЛОВ И СОПРЯЖЕНИЙ В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Приведены результаты натурных наблюдений за формированием нагрузок на крепь вертикальных стволов в зоне влияния горизонтальных сопряжений. Наблюдения проводились в соленосных глинах в геологических условиях рудника «Пийло». Продолжительность наблюдений свыше 7 лет.
Ключевые слова: шахтный ствол, сопряжение, деформации, напряжение, соляные породы, бетон.
ентиляционный ствол рудни-О ка «Пийло» концерна «Ориа-на» (Украина) глубиной 524.0 м сооружался буровзрывным способом, диаметр ствола в свету 7.0 м. Проек-
том предусмотрена следующая конструкция крепи: на глубину до 40.2 м тюбинги «7.0—30» с заполнением затюбингового пространства бетоном толщиной 430 мм, а с глубины 40.2 до 314.5 м — бетонная крепь толщиной 600 мм, ниже глубины 314.5 м — бетон толщиной 700 мм. В конструкции крепи применялся бетон класса 30 на сульфатостойком бетоне. При проходке ствола в декабре 1983 г. были обнаружены деформации бетонной крепи выше и ниже сопряжений на глубине 323 м и крепи сопряжения. В дальнейшем деформации бетонной крепи наблюдались до глубины 440 м. В связи с этим Проектной конторой треста «Шахтспецстрой» были скорректированы рабочие чертежи для непрой-денного участка в интервале глубин 440—524 м и выдано решение с заменой бетонной крепи на чугун-бетонную с применением тюбингов «7.0—30».
В сентябре 1987 г. при проведении работ по армировке ствола были обнаружены деформации тюбинговых колец № 213—216 в виде трещин в ребрах, бортах и стенках тюбингов,
Рис. 1. Характер разрушения тюбингов в кольпе 207
Рис. 2. Схема размещения измерительных средств в вентиляционном стволе
с выколами чугуна из бортов и стенок. Визуальным осмотром установлены деформации 16 тюбингов (рис. 1). После этого было принято решение по перекреплению ствола, начиная с верха сопряжения с А.О. — 190 м до зумпфа тюбингами с толщиной спинки 60 мм. Начиная с этого периода в вентиляционном стволе, авторами были начаты натурные наблюдения за формированием нагрузок на крепь.
Перекрепление участка ствола осуществлялось по следующей схеме. Сначала снизу вверх производился демонтаж тюбинговых колец, затем снизу вверх сборка тюбинговых колец и бетонирование пространства между спинками тюбингов и старой крепью. Установка приборов и замерных баз проведилась перед бетонированием затюбингового пространства. Было установлено 4 замерных станций: две (тюбинговые кольца 215 и 228) комплексные, состоящие из струнных деформометров и замерных баз; две (тюбинговые кольца 210 и 211), состоящие только из замерных баз (рис. 2).
Как видно из рис. 2 натурные наблюдения проводились в районе двухсторонних сопряжений. Крепь сопряжений была выполнена в жестко-податливом варианте (внешний слой толщиной 50 см — податливый, а внутренний — жесткий из железобетона). Крепь сопряжений не перекреплялась. В результате натурных наблюдений по замерным станциям было установлено, что нагружение крепи носит непрерывный характер, за 230 суток средние тангенциальные напряжения сжатия в спинках тюбингов 8е достигли величины 90 МПа. Вертикальные деформации 8н на растяжение 5 МПа. Затем ствол
Рис. 3. Характер разрушения железобетонной крепи горизонтальных выработок, примыкающих к сопряжению
был законсервирован для переоснастки временного подъема на постоянный (с сентября 1 989 г. по декабрь 1 990 г).
После расконсервации ствола значительные нарушения ствола были обнаружены в районе сопряжения с А.О. — 190.0 м (глубина 323 м). Бетонная крепь сопряжения была разрушена, а тюбинговые кольца выше сопряжения деформированы. При этом радиальные смещения тюбингов вовнутрь достигли величины 269 мм. Это привело к деформированию проводников. На этом интервале было решено «погасить» сопряжение. Оно заложено бутовым камнем, а стволовая часть ограждена тюбинговыми кольцами на высоту 8.2 м.
Район установки замерных станций в стволе был расконсервирован в апреле 1 991 г. Летальное обследование крепи в этом интервале показало следующее:
1) бетонная крепь сопряжения получила значительные повреждения (рис. 3);
2) на контакте перекрепления (т.к. 208 и 209) вертикальные болты на тюбингах, а некоторые тюбинги с толщиной спинки 30 мм разрушены;
3) в перекрепленной части ствола видимые нарушения крепи обнаружены на т.к. 226 в виде вертикальной трещины в среднем ребре жесткости.
Таким образом, обследование ствола показало, что крепь испытывает горное давление, которое значительно превышают расчетное.
Механизм нагружения крепи в зоне влияния сопряжений рассмотрим по графикам роста тангенциальных и вертикальных напряжений в спинках тюбингов в кольцах 215 и 228 (рис. 4). Тюбинговое кольцо 228 находится в зумпфе, ниже сопряжения, а кольцо 215 — между сопряжениями. Характер роста напряжений в этих кольцах значительно отличаются. В тюбинговом кольце 228 рост напряжений происходил равномерно, величина напряжений в пределах расчетных. В тюбинговом кольце 215 можно выделить несколько этапов роста напряжений. На первом этапе рост происходил с обычной для соляных пород интенсивностью (такой же, как на Закарпатском солеруднике). На следующем этапе в течение 1.5 лет происходил резкий рост как тангенциальных, так и вертикальных напряжений в крепи, которые достигли величины предела прочности на изгиб (для чугуна СЧ 21—40—400 МПа). На третьем этапе наблюдалась стабилизация напряжений на достигнутом
уровне. Таким образом, характер нагружения крепи ствола зависит от ее местоположения по отношению к сопряжению.
Исходя из результатов натурных наблюдений, можно выделить следующие этапы взаимодействия крепи ствола и сопряжения (см. рис. 4).
I. Крепь сопряжения работает из-за наличия слоя податливости работает в податливом режиме, а крепь ствола — в жестком. Из-за податливости крепи сопряжения происходит вертикальное сдвижение массива пород, что приводит к дополнительному нагружению ствола.
II. Крепь сопряжения, исчерпав свою податливость, начинает работать в жестком режиме. Крепь ствола, исчерпав свою несущую способность, начинает разрушаться, т.е. переходить в податливый режим работы.
III. После перекрепления крепь ствола снова работает в жестком режиме. Крепь сопряжения, исчерпав свою несущую способность, начинает разрушаться. При этом происходит интенсивное нагружение крепи ствола из-за «течения» соляных пород в вертикальном направлении.
IV. Исчерпав свою несущую способность, крепь ствола во второй раз переходит в предельное состояние. Этим объясняется появление трещин в горизонтальном ребре жесткости тюбинга в кольце 226.
Исходя из этого механизма, можно интерпретировать этапы нагружения крепи в районе тюбингового кольца 215. Очевидно, что первый этап нагружения крепи соответствует второй фазе, когда крепь ствола и сопряжения работает в жестком режиме. В дальнейшем, во время консервации, произошел переход в третью фазу взаимодействия, крепь сопряжения разрушается, массив соляных
Рис. 4. Напряженное состояние крепи ствола рудника «Пийло» в районе сопряжения на глубине 520 м на этапах I, II, III, IV
пород стал смешаться сверху вниз, что привело к увеличению интенсивности нагружения ствола. При этом вертикальные смешения массива привели к образованию зоны опорного давления в восточной и западной стенках стволовой части сопряжения. Это привело к появлению в крепи ствола значительных вертикальных напряжений сжатия, а затем к трешинообразованию в железобетоне. Появление трешины в опорной зоне несколько разгрузил массив околоствольных пород, что привело к стабилизации нагрузок на крепь ствола (см. рис. 4, Ш этап). Таким образом, несоответствие жесткости крепи сопряжения и крепи ствола привело к появлению нагрузок, которые не могли быть предусмотрены никакими расчетами. Величина радиальных нагрузок на крепь оценивается в пределах Р = 20—25 МПа, что более чем в 2 раза больше веса вышележашей толши пород. Ранее многими исследователями определялось, что в соляных породах давление на крепь может достичь гидростатического.
Такие большие нагрузки на крепь возможны в тектонических нарушениях. Наш случай к этому не относится, так как 20 метрами ниже в зумпфе, нагрузки на крепь в 4 раза меньше.
Как видно из графиков на рис. 4, на IV этапе наблюдается спад нагрузок на крепь. Этот этап соответствует сооружению выработок околоствольного двора. Очевидно, что уменьшение нагрузок на крепь вызвано смешением соляного массива от ствола в сторону горизонтальных околоствольных выработок. При этом в зумпфе ствола (т.к. 228) произошла полная разгрузка крепи в вертикаль-
ном направлении. Как видно из графиков на рис. 4, уменьшение нагрузок на крепь еше не завершено. Оно наступит в тот момент, когда в околоствольном массиве пород произойдет равновесие.
Схема действия сил, показанная на рис. 4, усложняется после появления трешин в зоне опорного давления. При этом происходит смешение крепи ствола вниз по всему периметру, а разрушение тюбингов не только над сопряжением. Таким образом, вертикальная подвижность массива околоствольных пород приводит:
1) в горизонтальной плоскости — к дополнительному нагружению крепи и появлению неравномерных нагрузок в непосредственной близости от верха сопряжения;
2) в вертикальной плоскости — к образованию зоны сдвига в районе опорного давления.
Натурные наблюдения, проведенные в вентиляционном стволе рудника «Пийло», показывают, что выводы многих исследователей о необходимости применения в соляных породах податливой крепи сопряжения не находит экспериментального подтверждения. По мнению авторов, проектирование крепи ствола сопряжения в таких условиях необходимо производить в комплексе, при этом возможны следуюшие варианты конструктивных и технологических решений:
1) применение жесткой усиленной крепи для ствола и сопряжения;
2) применение податливых (ограж-даюших) конструкций крепи ствола и сопряжений;
3) зашита жесткой крепи ствола от вертикальных деформаций горизон-
тальными швами в зоне опорного давления;
4) изменение последовательности крепления: на первом этапе — производится проходка ствола с креплением
временной крепью; на втором — сооружение выработок околоствольного двора и их закрепление постоянной жесткой крепью; на третьем — крепление ствола постоянной крепью, гттгт?
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Казикаев Джек Мубаракович,, профессор, доктор технических наук. Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru
Сергеев Сергей Валентинович,, профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Инженерная геология и гидрогеология» Национального исследовательского университета «БелГУ», sergeev@bsu.edu.ru
- ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ
ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ
(ПРЕПРИНТ)
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ НАЛИВНЫХ ЭВВ МЕТОДОМ «ПЛАСТИНЫ-СВИДЕТЕЛЯ»
Брагин Павел Александрович — главный специалист по горно-взрывным работам, pavelbragin83@mail.ru,
Маслов Илья Юрьевич — генеральный директор, ilmaslov@mail.ru,
Горинов Сергей Александрович — кандидат технических наук, akaz2006@yandex.ru,
ЗАО «Спецхимпром».
Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — №ОС2. — 2013. — № 1. — 12 с.— М.: Издательство «Горная книга».
Показано что, существует принципиальная возможность экспериментального нахождения показателя политропы продуктов взрыва методом «пластины-свидетеля». Знание коэффициента политропы, плотности заряжания и скорости детонации ЭВВ позволяет осуществить оценку работоспособности ЭВВ в полигонных условиях простым, экономичным и доступным методом.
Ключевые слова: метод определения работоспособности ВВ, детонационные параметры, коэффициент политропы, физико-механические свойства материала «пластины-свидетеля».
THE THEORETICAL BACKGROUND OF THE EVALUATION PERFORMANCE LIQUID EMULSION EXPLOSIVES METHOD «PLATE-WITNESS»
Bragin P.A., Gorinov S.A., Maslov I. Yu.
It is shown that, there is a basic possibility of experimental finding of an indicator of a polytrope of products of explosion by the «plates witness» method. The knowledge of factor of a polytrope, density of loading and speed of a detonation of emulsion explosives allows to carry out an assessment of operability of emulsion explosives in poligonny conditions a simple, economic and available method.
Key words: method of determination of operability of explosives, detonation parameters, factor of a polytrope, physicomechanical properties of the material «plates witness».
