Оценка параметров крепи стволов в осадочных породах Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.283

Феклистов Юрий Георгиевич

кандидат технических наук, доцент, заведующий лабораторией геодинамики и горного давления Институт горного дела ypO РАН, 620075, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: feklistov@,igduran.ru

Голотвин Алексей Дмитриевич

кандидат технических наук, лаборатория геодинамики и горного давления, ИГД УрО РАН, e-mail: algol 3003@mail.ru

Feklistov Yury G.

candidate of technical sciences,

the head of the laboratory of geo-dynamics

and mine pressure,

the Institute of mining UB RAS,

620075, Yekaterinburg, Mamin-Sibiryak st., 58

e-mail: feklistov@igduran.ru

Golotvin Alexey D.

candidate of technical sciences, co-executor of the laboratory of geo-dynamics and mine pressure, the Institute of mining UB RAS e-mail: algol3003@mail.ru

Широков Максим Анатольевич

Инженер ПТО,

ЗАО Чукотская горно-геологическая компания,

рудник «Купол»,

e-mail: max-589@yandex.ru

ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ КРЕПИ СТВОЛОВ В ОСАДОЧНЫХ ПОРОДАХ

Shirokov Maxim A.

The engineer of PTD,

CJSC The Chukotsk mining-geological company, "Kupol mine"

e-mail: max-589@yandex.ru

THE SHAFTS' SUPPORT PARAMETERS ESTIMATION IN SEDIMENTARY ROCKS

Аннотация:

В статье рассмотрены нагрузочно-деформа-ционные характеристики пород контура ствола в зависимости от изменения их прочности во времени. На основе анализа исследований прочностных свойств горных пород и проявлений горного давления в подземных горных выработках определен диапазон снижения прочности массива и темп этого изменения. Полученные результаты позволяют точнее оценить нагрузочно-деформационные характеристики пород контура ствола и более обоснованно определить параметры крепи стволов в условиях IV категории устойчивости осадочных пород.

Ключевые слова: крепь ствола, осадочные породы, нагрузочно-деформационная характеристика, фактор времени, прочность пород

Abstract:

Loading-deformational characteristics of rocks in the shaft contour depending on their strength variation on a time basis are considered in the article. In terms of the researches analysis of rocks strength properties and rock pressure manifestation in subsurface mine workings both the range of rock mass strength decrease and pace of this variation are determined. The obtained results permit to estimate the rocks loading-deformational characteristics in the shaft contour and to define the shafts ' support parameters in the IV class conditions of sedimentary rocks by well-grounded way.

Key words: shaft's support, sedimentary rocks, loading-deformational characteristic, time factor, rocks strength

Важным условием высокоэффективной и безопасной работы шахт является обеспечение рабочего состояния стволов с минимальными затратами на их проведение и поддержание. Условия поддержания шахтных стволов определяются степенью сложности механических, структурных и гидрогеологических свойств толщи, взаимным расположением стволов относительно очистных работ и других выработок, процессами водопо-нижения и дренирования. 2 В настоящее время при проектировании строительства шахтных стволов

технические решения разрабатываются, в основном опираясь на регламентирующие £ документы [1, 2].

8" Согласно [1, 2], оценка степени сложности поддержания стволов производится в

соответствии с категориями устойчивости, определяемыми по величине критерия

устойчивости С [1, 2]:

С = кг ксв кц кг Нр / [2,63+ ка Осжм (5,25+0,0056 ка Осжм)], (1)

где Осж м - расчетное сопротивление пород массива сжатию, МПа;

кг - коэффициент, учитывающий взвешивающее действие воды; для участков вне водоносных горизонтов равен 1;

ксб - коэффициент, учитывающий влияние других выработок: для протяженных участков ствола ксб = 1,0, для сопряжений ксб = 1,5;

кц - коэффициенты воздействия на ствол очистных работ для участков, не испытывающих влияния, кц = 1,0;

ка - коэффициенты влияния угла залегания пород а, ка = 1/(1+ 0,5 Бт а); кг - коэффициенты влияния времени эксплуатации выработки; для шахтных стволов к(=1, для других выработок к=0,9;

Нр - расчетная глубина расположения выработки, м; Нр= кН, где Н - проектная глубина, к - коэффициент, учитывающий влияние тектонических напряжений, который при их отсутствии равен 1,0, при наличии - по фактическим данным, а при отсутствии таковых - 1,5.

По рассчитанным значениям критерия устойчивости С устанавливаются четыре категории устойчивости стволов: при С < 3 - I категория, устойчивое состояние; при С = 3 - 6 - II категория, среднеустойчивое состояние; при С = 6 - 10 - III категория, неустойчивое состояние; при С > 10 - IV категория, весьма неустойчивое состояние.

В «Руководстве...» [1], рекомендованном для предприятий угольной, горнорудной и нерудной промышленности, в приложении 8 рассматриваются вопросы строительства стволов в условиях IV категории устойчивости. Аналогичные вопросы решаются «Указаниями.» [2] в приложении 5 с определенными отличиями от [1]. Однако для этих ситуаций влияние временного фактора детально не рассматривается.

Следует также отметить, что в последние три десятилетия регламентирующих документов типа вышеотмеченных [1, 2] не было издано.

Сложившаяся ситуация создает трудности для решения вопросов строительства шахтных стволов в условиях сравнительно высокого баланса геостатического (и геодинамического) давления и прочности массива.

Нами предлагается вариант оценки параметров крепи с учетом фактора времени.

Для определения параметров крепи стволов в условиях IV категории в общем следует основываться на расчетах радиуса Яь зоны предельного состояния пород [2, 3, 4]. При естественном напряженном состоянии, близком к гидростатическому, радиус Яь определяется по формуле:

Яь = Яс{[2уН + 2осж м /(к - 1)]/[осж м (к + 1)/(к - 1)+(к+ 1)Рк ]}1/(к - 1) , (2)

где Яо - радиус выработки вчерне, м; у - объемный вес пород, МН/м3; Н - глубина горных работ, м;

Осж м - расчетное сопротивление пород массива сжатию, МПа; к = (1 + Бт р )/(1- Бт р) - коэффициент бокового подпора; р - угол внутреннего трения пород, град; Рк - отпор крепи, МПа.

Перемещение породного контура ствола иь в зависимости от Яо и Яь определя-

2 ется:

| иь = (Яь2 - Яо2 ) (кр - 1) / 2Яо , (3)

£

где кь - коэффициент разрыхления пород в зоне предельного состояния с учетом отпора крепи.

В свою очередь кь зависит от сопротивления крепи и определяется так:

кр = 1 + Д(1+ Рк/Р*)-1 . (4)

Значения параметров: Д - величина, численно равная кр-1 при Рк = 0 и Р* - коэффициент, учитывающий степень влияния отпора крепи для различных пород, которые получены на основе анализа работ [2, 4] и приведены в таблице.

Значения параметров А для различных пород

Породы Д Р*

Каменная соль 0,15 1,0

Горючий сланец 0,13 3,2

Мрамор 0,05 3,8

Уголь, известняк, алевролит 0,02 4,0

По работе [3] 0,18 1,2

Дср = 0,106

Р ср= 2,64

Упругое перемещение пород не следует учитывать, поскольку оно возникает сразу после обнажения и в условиях IV категории сравнительно мало.

иь

2 X

ге *

а

ф

ЕС

о и

Диаграмма взаимодействия крепи с контуром пород ствола в условиях IV категории устойчивости пород:

1 - нагрузочно-деформационная характеристика пород контура ствола на момент начала его строительства при Осж г=0; 1* - нагрузочно-деформационная характеристика пород контура ствола при Осж г=« (ориентировочно через 2 - 5 лет); 2 и 2* - нагрузочно-деформационные характеристики крепи ствола; диР и РКР, обычно принимаемые в расчетах, - необходимая податливость крепи и ее отпор; Ди* - необходимая податливость крепи и ее отпор РК* по предлагаемой методике

Обычно при расчетах параметров крепи определяют нагрузочно-деформационную характеристику пород контура ствола как функцию иь = F(yН, Осж м, р, Рк), исходя из уравнений (2) и (3). Затем, принимая ту или иную функцию нагрузочно-деформационной характеристики крепи ик= Р(Рк) и решая эти уравнения совместно, находят отпор крепи и ее перемещение.

На рисунке показана диаграмма взаимодействия крепи с контуром пород ствола при решении задач такого рода.

Рассмотрим пример расчета перемещений пород контура ствола по предлагаемой методике при следующих исходных данных:

Н=800 м, бсж обр=80 МПа, кстр =0,25, бсж м г=0 =20 МПа, р=300, бсж м = ®=10 МПа, р=300, кр = 1,1.

Определим размеры Яь при Ro=4 м, Рк=0, к = 3:

а) бсж м 1=0 =20 МПа;

Яь = Яo{[2yН +2осж м/(к-1)]/[осж м (к+1)/(к-1)]}1(к-1)= 4{[40+20]/[220]}0'5=4,90 м

б) бсж м = ®=10 МПа;

Яь = ® = 4{[40+10]/[210]}0'5=6,93 м;

Определим перемещения пород контура ствола:

иь=(Яь2~ Ro2 )(кр - 1)/2Яо;

иь = 0 = (4,92 - 4,02 )(0,1)/2 4 = 0,100 м;

иь г= ® = (6,932- 4,02 )(0,1)/2 4 = 0,400 м.

При этом нагрузочно-деформационную характеристику пород контура ствола определяют без детального учета фактора времени. В конкретных решениях на практике чаще принимают прочность массива пород на основе испытания прочности образцов породы в лабораторных условиях и коэффициента структурного ослабления без учета длительной прочности (решение т. А) или, что реже, принимают ее во внимание, но упрощенно (решение т. В). Согласно обширным исследованиям, приведенным в работе [5], длительная прочность Осж г =® составляет 0,36...0,86 при среднем значении 0,65 от кратковременной бсж г =0. В расчетах, по нашему мнению, длительную прочность целесообразно принимать как среднее между 0,36 и 0,65 от кратковременной, т. е. Осж г =® = =0,5бсж г =0

Таким образом, в условиях IV категории устойчивости пород следует нагру-зочно-деформационную характеристику пород контура ствола определять на момент начала строительства ствола при Осж м г =0 и при Осж м = бсж м® ориентировочно через 2 - 5 лет [5, 6] (решение т. С и соответствующие параметры крепи: податливость ДИ*, сопротивление крепи Рк*). Общая предлагаемая схема расчетов приведена на рисунке.

Литература

1. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи. - М.: ВНИМИ, ВНИИОМШС,1983. - 272 с.

2. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. - Л.: ВНИМИ, 1986. - 222 с.

3. Руппенейт К.В. Некоторые вопросы механики горных пород / К.В. Руппенейт. - М.: Углетехиздат, 1954. - 384 с.

4. Фисенко Г.Л. Предельные состояния горных пород вокруг выработок / Г.Л. Фи-сенко. - М.: Недра, 1976. - 272 с.

5. Прочность и деформируемость горных пород / Ю.М. Карташов и др. - М.: Недра, 1979. - 269 с.

® 6. Громов Ю.В. Управление горным давлением при разработке мощных пологих

о пластов угля / Ю.В. Громов, Ю.Н. Бычков, В.П. Кругликов. - М.: Недра,1985. - 239 с.

7. Строительная механика / Ю.М. Бурчаков и др. - М.: Высшая школа, 1983. -255 с.

8. СНИП 11-21-75. Бетонные и железобетонные конструкции: гл.21, Ч. II / Госстрой СССР. - М.: Стройиздат, 1976. - 89 с.

9. Беляев Н.М. Сопротивление материалов / Н.М. Беляев. - М.: Гостехиздат, 1953. - 856 с.

2 X

ге *

а

ф

ЕС

о и