Особенности совместной работы системы «Армировка крепь породный массив» в глубоких вертикальных стволах Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

М. С. Плешко, Д.В. Крошнев

ОСОБЕННОСТИ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ СИСТЕМЫ «АРМИРОВКА - КРЕПЬ - ПОРОДНЫЙ МАССИВ»

В ГЛУБОКИХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛАХ

Семинар № 3

✓"Отмечены особенности проектирования крепи вертикальных стволов. Обоснована необходимость исследования совместной работы системы «армировка -крепь - массив». Разработаны и исследованы конечно-элементные модели ствола. Представлены полученные результаты расчета моделей и сделаны выводы о напряженно-деформированном состоянии

крепи в месте крепления армировки. Намечены цели дальнейших исследований.

Глубина разработки месторождений полезных ископаемых в России и за рубежом в настоящее время достигает 25003000 м и продолжают увеличиваться. Их вскрытие осуществляется вертикальными стволами различного диаметра, сооружаемыми, как правило, в сложных горногеологических условиях.

Глубокий вертикальный ствол представляет собой сложное, во многом уникальное подземное сооружение, основными конструктивными частями которого является крепь, препятствующая смещению и обрушению пород в выработку, и армировка, обеспечивающая направленное движение по стволу подъемных сосудов различного типа.

Наиболее распространенный вид крепи вертикальных стволов - монолитный бетон, а для армирования чаще применяют жесткую металлическую армировку, несущие элементы которой (расстрелы, консоли, кронштейны и др.) непосредственно закреплены в стенках ствола.

Современные методы проектирования крепи базируются на исследовании совме-

стного взаимодействия крепи с массивом, при этом рассматривается расчетная континуальная схема контактного взаимодействия крепи с деформирующимся массивом, включающая в себя среду с отверстием, моделирующую массив пород, и кольцо заданного диаметра и толщины, моделирующее крепь выработки.

Проектирование параметров крепи в месте крепления несущих элементов армировки осуществляется аналогично другим участкам ствола, динамические нагрузки, передаваемые на крепь от движущихся подъемных сосудов, при расчете не учитываются.

Из известных способов крепления расстрелов наибольшее распространение получил способ заделки их в лунки бетонированием. Вследствие некачественного ведения работ свойства бетона в месте заделки лунок, как правило, хуже, чем у бетона крепи. Разработка и последующее бетонирование лунки приводит к возникновению в крепи вокруг расстрела дополнительных плоскостей ослабления и концентраций напряжений. Эти факторы способствуют постепенному расшатыванию расстрела в узле крепления в процессе эксплуатации ствола и разрушению бетона в лунке.

По мере роста глубины стволов, условия совместной работы крепи и армировки все более ухудшаются, и для обеспечения их безаварийной работы необходимо исследование взаимно влияющей системы «армировка - крепь - породный массив».

а)

Рис. 1. Объемная конечно-элементная модель ствола: а) - вид сверху; б) - фрагмент схемы в месте крепления консоли

В настоящее время с появлением мощных программных комплексов для проектирования конструкций моделирование работы такой системы становится возможным.

Авторами на базе программного комплекса Лира 9.0 были разработаны и исследованы пространственные конечноэлементные модели ствола с армировкой (рис. 1). Модели представляли собой участок ствола протяженностью 40 м и диаметром 6 м, включающий крепь ствола толщиной 300 мм и консольные несущие элементы армировки длиной 1 м, установленные с шагом 4 м. Ствол помещен в породный массив, внешний диаметр которого равен шести диаметрам ствола.

а б

б)

Крепь и породный массив состоят из упругих объемных конечных элементов (КЭ), жесткость которых была принята равной соответственно бетону класса В25 и песчанику средней крепости. Консоли армировки включают в себя КЭ типа изгибаемых пластин толщиной 10 мм.

Для проведения сравнения были разработаны конечно-элементные модели для двух вариантов крепления консолей: бетонированием в лунках и закреплением анкерами (рис. 2).

На концы консолей, выступающих в ствол, прикладывались лобовая и боковая динамические нагрузки различной величины, породный массив загружался объемным давлением, рассчитанным для глубины залегания ствола 1000 м.

Задачей исследований была оценка напряженно-деформированного состояния крепи вокруг узла крепления армировки при совместном действии динамических нагрузок на арми-

ровку и горного давления массива пород.

Рис. 2 Конечно-элементные модели консолей: а) - при бетонировании в лунках; б) - при креплении на анкерах

Таблица 1

Значения напряжений в крепи ствола на участке контакта с армировкой при действии динамических нагрузок на армировку

Величина

Значения напряжений, МПа

нагрузок, кН N2 Тху Тх2 ТУ2 N1 N2 N3

50 -1,1 -7,2 -1,9 -0,9 1,2 -4,0 1,2 -2,0 -9,3

60 -1,3 -8,6 -2,3 -1,1 1,4 -4,8 1,4 -2,5 -11,2

70 -1,6 -10,0 -2,7 -1,3 1,6 -5,7 1,7 -2,9 -13,1

80 -1,8 -11,4 -3,1 -1,5 1,8 -6,5 1,9 -3,3 -14,9

90 -2,0 -12,8 -3,5 -1,6 2,1 -7,2 2,1 -3,7 -16,8

100 -2,2 -14,3 -3,9 -1,8 2,3 -8,0 2,4 -4,1 -18,7

Таблица 2

Значения напряжений в крепи ствола на участке контакта с армировкой при совместном действии нагрузок

Величина

Значения напряжений, МПа

нагрузок, кН N2 Тху Тх2 Туг N1 N2 N3

50 -25,5 -6,8 -5,2 -1,1 2,1 -4,0 -1,7 -10,1 -25,8

60 -25,7 -8,2 -5,6 -1,3 2,4 -4,8 -1,7 -11,9 -26,0

70 -25,9 -9,6 -6,0 -1,5 2,6 -5,6 -1,6 -13,7 -26,3

80 -26,2 -11,1 -6,4 -1,7 2,8 -6,4 -1,5 -15,6 -26,6

90 -26,4 -13,5 -6,8 -1,9 3,1 -7,2 -1,4 -17,4 -26,9

100 -26,6 -14,0 -7,2 -2,0 3,3 -8,0 -1,3 -19,3 -27,2

*Примечание: Ых, Ыу, Ы - нормальные напряжения относительно соответствующих осей, Тх Ту, Т2 - касательные напряжения, N1, Ы2, N3 - главные напряжения.

На первом этапе исследовалась модель с закреплением армировки в лунках. В результате расчета модели были получены значения всех составляющих объемного напряженно-деформирован-ного состояния в крепи и определены главные напряжения.

В табл. 1 и 2 приведены значения напряжений в крепи на участке контакта с консолью, при действии только динамических нагрузок на консоль, и совместном действии динамических нагрузок и горного давления.

Анализ полученных данных показывает, что при действии на крепь ствола только динамических нагрузок, передаваемых консолью, при большой величине нагрузок главные напряжения в крепи на участке контакта с армировкой выше расчетно-

го сопротивления бетона на сжатие (для бетона В25 Кб=14,5 МПа).

При совместном действии горного давления и динамических нагрузок расчетные напряжения в крепи больше предела прочности бетона на сжатие. Для возможности нормальной эксплуатации крепи на этом участке необходимо значительное увеличение толщины крепи или использования бетона более высоких марок.

Более эффективным решением, позволяющим уменьшить нагрузки на бетон узла крепления, является крепление консоли на анкерах. Исследования соответствующей конечно-элементной модели показали, что напряжения в бетоне крепи, на участке контакта с анкером, ниже соответствующих значений напряжений в крепи при заделке консоли в лунке на 34-37 %.

Таким образом, в глубоких стволах с подъемом большой производительности как основной способ крепления элементов армировки к крепи ствола должен быть рекомендован способ крепления расстрелов на анкерах.

В тоже время широкое внедрение способа крепления армировки анкерами встречает ряд трудностей, особенно при использовании безрасстрельных несущих элементов. Основной проблемой является необходимость компенсирования радиального отклонений крепи ствола от проектного положения. Известный способ

1. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. Учеб. для вузов. - М.: Недра, 1994.-382 с.

2. Сыркин П.С., Ягодкин Ф.И., Мартыненко И. А. Технология армирования вертикальных стволов. - М.: Недра, 1996.-202 с.

компенсирования таких отклонений для балочных расстрелов путем выдвижения концов анкеров в ствол [1], для безрас-стрельной армировки не применяется вследствие возможного снижения ее жесткости. Использование составных консолей или специальных кронштейнов приводит к усложнению конструкций. Поэтому для широкого внедрения безрасстрельной арми-ровки в глубоких стволах и обеспечения нормальной работы системы «армировка -крепь ствола» необходимо дальнейшее совершенствование существующих узлов крепления безрасстрельной армировки.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Ягодкин Ф.И., Прокопов А.Ю. Сравнительный анализ жесткостных характеристик и напряженного состояния конструктивных элементов узла крепления расстрела анкерами и бетонированием в лунки.// Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. Науки. - 2003. -Приложение №4.

— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------

Плешко М.С., Крошнев Д.В. - Шахтинский институт филиал Южно-российского государственного технического университета (ШИ ЮРГТУ), Шахты.

------------------------------------ ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

БЕЛИКОВА Наталья Валентиновна Обоснование оптимальных параметров и конструкции искусственных опор для охраны выемочных выработок 25.00.22 к.т.н.

© С.Ю. Семеняк, 2005