Особенности строительства и крепления вертикальных стволов в тектонически напряженном горном массиве Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© С. А. Рыбак, 2008

УДК 622.83 С.А. Рыбак

ОСОБЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА И КРЕПЛЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ В ТЕКТОНИЧЕСКИ НАПРЯЖЕННОМ ГОРНОМ МАССИВЕ*

Семинар № 4

Многолетней практикой строительства подземных сооружений отработаны технологические схемы проходки и крепления стволов в различных горно-геологи-ческих условиях. Все эти технологические решения успешно использовались на рудных месторождениях до глубины 550-600 м.

Строительство подземных сооружений на достигнутой глубине показывает, что при проходке и креплении стволов при совмещенной схеме проходки в тектонически напряженном горном массиве приводит к достижению высокого уровня напряжений на контуре крепи вплоть до разрушающей величины. Согласно действующего СНиП-11-94-80 «Подземные горные выработки» уровень напряжений в крепи на период окончания строительства капитальных под-земных сооружений (стволов, камер) не должен превышать 40% от предельной несущей способности крепи.

Комплекс натурных исследований по формированию напряжений в крепи ствола проведен на шахтах Донского ГОКа, где горный массив вмещающих пород представлен скальными породами с отсутствием связи между блоками по трещинам. Характерной особенностью данного месторождения является неравномерное поле напряжений, действующее в массиве, где ниже 500 м уровень

напряжений превышает прочностные свойства горного массива, т. е. массив находится в запредельном состоянии и приобретает блочный дискретный характер деформирования. В результате, вокруг подземных выработок, сооружаемых по традиционным схемам без учета и нейтрализации этого фактора, образуется обширная область нарушенных пород, перешедших в разуплотненное состояние. В массиве в этой области проявляются блоковые подвижки, вызывающие неравномерное сосредоточенное на-гружение крепи, что создает серьезные проблемы в обеспечении устойчивости на стадии строительства и эксплуатации. Установленные закономерности являются общими и характерными для других месторождений, подтверждены моделированием и могут быть использованы на месторождениях с аналогичными условиями.

Инструментальные измерения напряжений проводились на шахте «Центральная» Донского ГОКа в натурных условиях методом щелевой разгрузки на большой базе в процессе проходки ствола «Вспомогательный» и «Клетевой».

Выполненные исследования показали, что в первоначальном напряженном состоянии массива горных пород шахтного поля присутствуют значительные

*Работа выполнена при поддержке РФФИ и Совета по грантам Президента РФ ведущих научных школ.

ствола, МПа

4 & 12 16 (Ск,МПа

\

А /

г

+ —

зоо

400

500

В00 Н,ц

по своей величине компоненты тектонических напряжений. Второй особенностью явилась достаточно высокая анизотропия тектонических напряжений, выражающаяся в том, что величины горизонтальных тектонических напряжений, действующим по двум главным взаимно перпендикулярным направлениям отличались в 1,5 раза и более [2].

Вследствие анизотропии первоначальных напряжений в массиве горных пород в бетонной и тюбинговой крепях клетевого ствола напряжения распределились по периметру ствола также неравномерно. В отдельных горизонтальных сечениях разница между минимальными и максимальными величинами достигла 2-х кратного значения и явилась одной из причин разрушения крепи клетевого ствола в 1984 г. В течение двух суток, пройденный и закрепленный ствол бетонной крепью, был разрушен с глубины 420 м до 620 м (до забоя) т.е. 200 м. Причем разрушение ствола началось от забоя и остановилось на глубине 420 м. Результаты измерений напряжений в бетонной крепи приведены в таблице.

Модуль упругости бетона Е*10-5, МПа Напряжения в крепи, МПа Азимут точек Омах, град

Омах °мт

0,26 8,8 4,6 150

0,26 8,6 4,6

0,27

0,27 9,4 5,9 310

0,27 19,7 5,8 145

22,0 9,5 135

Аналогичная картина распределения напряжений в бетонной крепи установлена и в других стволах на этом месторождении. Измеренные напряжения дают возможность проследить в целом по всем стволам изменение максимальных напряжений с глубиной. До глубины 450-500 м максимальные напряжения в крепи не превышают 10 МПа и вариация их находится в пределах 4-10 МПа. Ниже глубины 450-500 м наблюдается резкий рост напряжений. Так, при увеличении глубины до 500 м (точка 5, таблицы) наблюдается резкий рост максимальных напряжений в 2,0-2,5 раза и на глубине 610 м они уже достигают почти предель-ной величины - 22 МПа (стпред =30 МПа) (рис. 1.).

По всем другим стволам (скиповой, вспомогательный и вентиляционный) на шахте «Центральная» и на шахте «Молодежная» (скиповой и вентиляционный) наблюдается аналогичная картина - до глубины 450-550 м напряжения в крепи находятся в пределах 5-10 МПа и далее достигают величины близкой к пределу прочности крепи [1].

Т. е. при проведении стволов по совмещенной схеме в тектонически на-

пряженном горном массиве бетонная крепь исчерпала свою несущую способность на глубине 550-600 м.

На (рис. 2.) представлена общая картина формирования напряжений в крепи клетевого ствола на участках, закрепленных монолитным бетоном толщиной 400 мм и чугунными тюбингами толщиной спинки 40 и 60 мм. На всех участках наблюдается характерная анизотропия поля напряжений по периметру крепи как в бетонной, так и в чугунных тюбингах, согласованная с действием мак-

симальных напряжений в массиве горных пород. На основании этих данных нами установлено, чем мощнее крепь, тем выше уровень максимальных напряжений, причем уровень максимальных напряжений в монолитном бетоне и чугунных тюбингах достигает большой величины, превышающей нормативную прочность и близкой в отдельных случаях к разрушающей.

По данным графиков смещения породных стенок ствола в процессе проходки получена зависимость де-

формаций стенок незакрепленного ствола от расстояния до груди забоя (рис. 3). Максимальные деформации породных стенок ствола наиболее интенсивно проявляются до 6 м от забоя ствола и составляют 70 % полных деформаций, что составляет 14 см. Таким образом, формирование напряжений в крепи происходит неравномерно по периметру ствола и максимальное их направление перпендикулярно максимальному напряжению, действующему в массиве горных пород.

В крепи напряжения достигают максимальной величины на расстоянии 25-28 метров, то есть на расстоянии равным около 3 диаметров ствола, от груди забоя.

Фактические напряжения в отдельных кольцах: Осж.макс= - 386 МПа, Осж.мин= - 250 МПа и

Рис. 1. Изменение напряжений в бетонной крепи вертикальных стволов шахты «Центральная»

Орастяж. сред =40-70 МПа, что превышает расчетные сопротивления для чугуна СЧ - 21-40 и близко к предельным.

Необходимо отметить, что все аварии и деформации крепи стволов на шахте «Центральная» происходили при рассечке стволов с горизонтами или ствола с камерой. Так, ранее упомянутая авария, при разрушении бетонной крепи клетевого ствола шахты «Центральная» на протяжении 200 м произошла сразу после проходки сопряжения гор. - 320 м, следующая авария произошла в этом же стволе в период проходки с креплением чугунными тюбингами, при рассечке сопряжения - 400 м.

В скипо-клетевом стволе деформация бетонной крепи произошла

Т Эпюры напряжений, МПа Бетонная крепь

-5.8

-19,7

-15.8

Огм-88.5м (493м) -Н9м(524м)

$. Участок разрушенного ствола (тюБинги 8 =40 мм)

-78

-78 -72

- 9д

От» -220 м (625м.) Отм 256 (581м)

8. Участок двформ. крепи гор.~400 м ■323 (тюбинги 8 = 40 мм)

-300

-309

Отм 386 м (791м) тк >J3I7

тк зго

3. Участок - 420 + - 885 (тюбинги 8 = SO мм) -Z6V

-125

230

Отм 887м (1272м) г к 4/2

- 262

тк Jj 415

Я ствол клетевой

;; \ Бетонная крепь

¿4-143 м

I

'Э

1 I

I

I ч /

I " / ^

Гор-160 м

V ^ ^ 4 ч

I "I > "

S ^

Hj | х ч

\ \ I /

Гор.-240 м

- 7 т ^

\ У \

^ i.

у ч

4 - / / 4 - % У

1 /

- * ч \s - _ у 1 /

Гор.- 320 м

Гор. - 400

Гор.- 480м

885м

Рис. 2. Формирование напряжений в крепи клетевого ствола в процессе проходки в бетонной и тюбинговой крепи

при рассечке дозаторнои камеры на гор. - 220 м.

Трещины в тюбингах клетевого ствола образовались в трех кольцах ниже гор.- 400 м (№340, 341,342). Анализируя разрушение тюбингов по периметру ствола, можно отметить, что оно происходит с определеннои закономерностью. Наибольшее разрушение тюбингов произошло в направлении, перпендикулярном деиствию максимальных напряжении в горном массиве.

Таким образом, в тектонически напряженном горном массиве нагру-жение крепи, в процессе проходки ствола, происходит неравномерно по периметру ствола при любом виде крепления. При совмещенной схеме проведения ствола нагружение крепи ствола происходит неравномерно в зависимости от расстояния от забоя и максимальной величины, эти напряжения достигают на расстоянии около трех диаметров ствола. Причем максимальная величина напряжений может быть близка к пределу прочности крепи, что приводит к ее деформации

или разрушению.

Многолетней практикой строительства

подземных сооружений большого

Рис. 3. Деформации стенок незакрепленного ствола в процессе проходки: Umin -минимальные деформации по диаметру ствола, см; Umax -максимальные деформации по диаметру ствола, см

сечения отработаны технологические приемы проходки и крепления, применяемые в различных горногеологических условиях.

В литературных технических источниках существует две технологические схемы проходки и крепления стволов: совмещенная и параллельная [3]. Опыт проведения стволов в тектонически напряженном горном массиве на рудных шахтах показывает, что сооружение стволов по совмещенной схеме, приводит к уровню напряжений близкой или выше предельно допустимой величины напряжений для крепи. Таким образом, в период стро-ительства крепь ствола, рассчитанная на полный срок существования шахты, исчерпывает свою несущую способность. В период ведения очистных работ возникают дополнительные нагрузки от влияния очистных работ, поэтому необходимо изыскать другую схему проведения стволов в тектонически активных районах. Вторая схема проходки стволов - параллельная, имеет низкие темпы проходки, высокий уровень стоимости и является опасной, поэтому на практике почти не применяется.

Поэтому, полученный материал, дает основание для разработки новой технологической схемы проходки вертикальных стволов в тектонически активных районах - комбинированной. Параметр предлагаемой технологии вытекают из полученных данных при проходке стволов по совмещенной технологии. Из

графика (рис.3) видно, что крепь испытывает максимальные деформации в раннем возрасте после ее возведения на расстоянии 6-8 м от забоя ствола. Поэтому сущность новой комбинированной технологической схемы проходки стволов будет заключаться в том, чтобы крепь ствола возводилась на расстоянии 6 м от забоя. Пользуясь зависимостью (рис. 3) , можно четко установить, что уровень напряжений в крепи будет составлять не более 30% от ее несущей способности, что является ниже уровня согласно действующего СПиП-11-94-80 «Подземные горные выработки».

В предлагаемой технологической схеме возникает дополнительная работа по устройству заторцовки заопалубоч-ного пространства при монолитной бетонной крепи и специального устройства для закрытия нижней части закрепно-го пространства при тюбинговой крепи.

1. Боликов В.Е. Теоретические основы расчета крепи стволов при формировании вторичного поля напряжений // Проблемы горного дела: Сб. научн. тр. /ИГД УрО РАН. - Екатеринбург, 1997. - С 135-142.

2. Боликов В.Е., Кошкаров А.А., Мельник В. В. Методика определения зон обрушения по-

Данные технологические решения могут быть реализованы при изготовлении специальных поддонов для передвижной опалубки и тюбинговой крепи.

Таким образом, можно сделать следующие выводы по технологии строительства стволов в тектонически напряженном горном массиве:

1. Существующая в практике технологическая схема проведения стволов - совмещенная, в данных условиях не обеспечивает нормативной нагрузки крепи в процессе проходки. Напряжения в крепи достигают величины близкой к разрушающей величине

на стадии строительства ствола.

2. Для использования прогрессивной технологии проходки стволов необходимо использовать комбинированную схему с возведением постоянной крепи на расстоянии 6 м от забоя.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

род вокруг выработки в натурных условиях «Изв. вузов». Горный журнал, 1998. -№1. С 1721.

3. Булычев Н.С., Фотиева Н.Н., Стрельцов Е.В. Проектирование и расчет крепи капитальных выработок. -М.: Недра, 1986, 288 с.

— Коротко об авторе -

Рыбак С.А. - ИГД УрО РАН.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 4 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. С.А. Гончаров.

А