CC BY
41
----------------------------------------------- © С. В. Сергеев, 2006
УДК 622.283
С.В. Сергеев
ПЕРЕДАЧА НАПРЯЖЕНИЙ В КОМБИНИРОВАННОЙ КРЕПИ СТВОЛОВ
Семинар № 15
ТУ сложных горно-геологических
.О условиях для крепления вертикальных стволов повсеместно применяется комбинированная крепь, состоящая из чугунных тюбингов и бетона. А на Яков-левском руднике, в интервалах с наибольшей ожидаемой нагрузкой, впервые применена крепь, состоящая из внешней и внутренней тюбинговых колонн и бетонного заполнения кольцевого пространства.
Сооружение такой крепи производится в три этапа: на первом этапе сверху вниз (на высоту 4-8 м) возводится внешняя тюбинговая колонна; на втором - навешиваются тюбинги внутренней колонны; на третьем - производится бетонирование пространства между колоннами.
Экспериментальные натурные исследования напряженного состояния комбинированных крепей проводились в стволах: Яковлевского рудника КМА, рудника «Скалистый» НГМК, шахты «Центральная» Донского ГОКа (Казахстан), рудника «Пийло» концерна «Ориана», Закарпатского солерудника (Украина) [1, 2, 3]. В общей сложности было установлено свыше 60 замерных станций. Измерениями деформаций в замерных станциях были охвачены все слои крепи. Продолжительность наблюдений составила от 3 месяцев до 7,5 лет. А на Яковлевском руднике некоторые замерные станции сохранили работоспособность в течение 18 лет [4].
Долговременные натурные наблюдения позволили раскрыть механизмы передачи напряжений в комбинированной крепи.
Наиболее сложное взаимодействие слоев происходило в стволах Яковлевско-
го рудника, сооруженных способом замораживания. Здесь в двухслойной крепи за-тюбинговый бетон начинала воспринимать нагрузки с момента схватывания. Его твердение происходило при постоянно растущей нагрузке, которая за несколько суток достигала величины 2-3 МПа, и постоянно понижающейся температуре. Бетон кроме силовых испытывал свободные температурю -влажностные деформации набухания и усадки, а также деформации ползучести.
Известно, что собственные деформации бетона являются однозначными, т. е. при усадке происходит его укорочение, а при набухании - расширение во всех направлениях. Ползучесть характеризуется двухзначными деформациями: в зоне растяжения в результате ползучести происходит дополнительное удлинение бетона, а в зоне сжатия - дополнительное укорочение. Рассмотрим все возможные сочетания этих факторов при деформировании крепи от внешней нагрузки и от собственных деформаций бетона.
I сочетание. В зоне растяжения бетона при его усадке деформации ползучести (еп) и усадки (е1) направлены на взаимо-компенсацию. При этом возможны следующие варианты:
а) е4 > еп. Деформации усадки уменьшают деформации ползучести. Это приводит к уменьшению напряжений в крепи.
б) е4 < еп. Свободные деформации не влияют на напряженное состояние крепи. Деформации ползучести увеличивают напряжения в бетоне.
в) ^ = еп. Крепь не испытывает никаких дополнительных напряжений от де-
Измереннные деформации в элементах крепи из монолитного бетона и чугунных тюбингов (Яков-левский рудник, ствол №1, глубина 101 м): а - схема расположения приборов в крепи; б - изменение деформации во времени
формаций усадки и ползучести, т.к. происходит их взаимная компенсация.
II сочетание. В зоне растяжения бетона при его набухании деформации ползучести и усадки направлены на суммирование. При этом при любых величинах е и еп происходит увеличение деформаций крепи, соответственно, и напряжений растяжения.
III сочетание. В зоне сжатия бетона при его усадке деформации ползучести и усадки направлены на суммирование, т. е. при любых значениях еп и е, происходит увеличение напряжений в бетоне.
IV сочетание. В зоне сжатия бетона при его набухании деформации ползучести и набухания направлены на взаимо-компенсацию. При этом возможны следующие варианты:
а) е, > еп. Деформации набухания частично компенсируются деформациями ползучести.
б) е, < еп. Деформации ползучести компенсируются деформациями набухания.
в) е, = еп. В бетонной крепи никаких дополнительных напряжений не возникает, т.к. происходит их взаимное компенсирование.
На рисунке приведены графики деформаций элементов двухслойной крепи, измеренные в стволе № 1 Яковлевского рудника в замороженных мергелях на глубине 101 м.
Для анализа графические результаты представлены в табличной форме (табл. 1).
Сравнение величин, приведенных в табл. 1, показывает, что на третьи сутки тангенциальные деформации бетона в 6 раз превышают такие же деформации чугунных тюбингов, которые являются упругими. На 35 сутки эта разница составила 3, на 110 сутки - 1,8 раза. Это вызвано тем, что в первые сутки нагружения произошла взаимокомпенсация части деформаций ползучести с деформациями температурного рас-ширения бетона. При этом на третьи сутки упругая часть деформаций составила 52 %, на 35 сутки - 75 % от общих измеренных. Таким образом, в дан-
Таблица 1
Деформации слоев крепи
Вид измеряемых деформаций крепи
5 35 110
тангенциальные деформации бетона, єе 60 120 123
температурно-влажностные деформации бетона, є -42 -36 -25
тангенциальные с учетом температурных, (єе + є^ 102 156 148
тангенциальные деформации тюбингов, єе 10 60 65
г, 1х10 за период, в сутках
Примечание: знак «+» означает сжатие, знак «-» расширение бетона
Таблица 2
Напряжения в слоях и соответствующие им расчетные величины внешних нагрузок
Глубина, м ае:(1) Ро аеп(2) се<2) Се<3) Р1 Р2 Рз (Р1+Р2+ +Рз)/3 Р
471 105 2.22 70 13 80 6.26 7.50 6.35 6.30 8.52
496 168 3.22 50 11 57 4.44 6.13 4.55 5.04 8.26
541 161 3.15 65 12 68 5.61 5.93 5.78 5.79 8.94
602 41 0.80 26 8 34 2.54 4.02 3.11 3.20 4.00
ном случае комбинированная крепь деформировалась по сочетанию ^б.
Натурные наблюдения, проведенные в других геологических условиях, показали, что большие деформации ползучести бетона характерны для пород с большой скоростью нагружения. В соляных породах, где твердение бетона происходит при положительных температурах и при небольших скоростях нагружения, деформации ползучести незначительны. Например, в стволе № 9 Закарпатского солерудника нагрузки на внешний контур крепи, рассчитанные по деформациям в спинке тюбингов, составили Р = 4,5 МПа, а по деформациям в бетоне - Р = 4,7 МПа, т.е. деформации ползучести составили всего 4 % от общих измерений. Одновременное измерение деформаций в бетоне и тюбингах, и последующий расчет нагрузок на крепь позволило оценить величины упругих и неупругих напряжений в слоях комбинированной крепи.
Крепь из двух тюбинговых колонн и бетона представляет собой сложное инженерное сооружение. Она включает в себя разнородные материалы: чугун, бетон, свинец. Расчет такой крепи производится
как шестислойная оболочка, некоторые слои которых содержат периодические неоднородности. Тюбинговые колонны выполнялись из разных марок чугуна: внешняя колонна - из чугуна марки СЧ 21-40, внутренняя колонна из чугуна Тв-01 (производство Польши) или из чугуна марки ВЧ 50-2. Известно, что модуль упругости чугуна марки ВЧ 50-2 в два раза больше, чем у СЧ 21-40. Бетонный заполнитель, который находится между двумя тюбинговыми колоннами, обладает свойством изменять свой объем при увлажнении и изменении температуры. В свинце, который присутствует в конструкции в виде сплошной прокладки между тюбингами, при больших нагрузках проявляется свойство текучести. Исследования характера распределения напряжения в элементах трехслойной крепи проводились в стволах 1, 2, 3 Яковлевского рудника.
Внешняя тюбинговая колонна на первом этапе работает как временная крепь. Поэтому тюбинги воспринимают часть нагрузки. Интенсивность и величина нагрузок зависит от типа и температуры пород и продолжительности раздельной работы крепи. После установки внутренней колонны и бетонирования межтюбингового
пространства начинается совместная работа всех слоев крепи. В табл. 2 приведены результаты измерений в элементах многослойной крепи и расчета нагрузок на внешний контур на разных стадиях нагружения: ае/1), Р0 - тангенциальные напряжения во внешней колонне и расчетные нагрузки на крепь в период их раздельной работы; степ(1), Р1 - тангенциальные напряжения во внешней колонне и расчетные нагрузки на крепь в период совместной работы слоев; сте(2), Р2 - тангенциальные напряжения в бетоне и расчетные нагрузки на крепь в период совместной работы слоев; сте(3), Р3 - тангенциальные напряжения во внутренней колонне и расчетные нагрузки на крепь в период совместной работы слоев; Р - полная суммарная нагрузка на внешний контур крепи.
Расчет нагрузок на крепь по измеренным в слоях деформациям производилось по методике [5].
Из результатов, приведенных в табл. 2 видно, что самыми напряженными являются тюбинги внешней колонны. Они еще в период раздельного нагружения воспринимают значительные нагрузки. Например, на глубинах 496 и 541 м тан-
1. Казикаев Д.М., Сергеев С.В., Борисов О.П. Закономерности формирования нагрузок на крепь ствола сооружаемого с применением замораживания пород. //Шахт. стр-во. - 1984. - № 3.
2. Казикаев Д.М., Сергеев С.В., Черныш А.С. Нагружение крепи ствола сооруженного в солях. - ВКН: Механика подземных сооружений. - Ту-
ла: ТПИ, 1990.
3. Сергеев С.В., Мишедченко А.Д., Мудрик А.Л. Нагружение крепи глубоких стволов рудника "Скалистый". //Горный журнал. - 2000. - № 2.
генциальные напряжения в спинке тюбингов внешнего ряда достигли расчетных величин. С учетом совместного деформирования всех слоев крепи величины напряжений превысили расчетные на 30 %. Напряжения в междуколонном бетоне и тюбингах внутренней колонны меньше чем расчетные. При этом бетон не испытывает больших деформаций ползучести. Это объясняется тем, что он находится между двумя упругими слоями крепи. Однако температурно-влажностные деформации бетона могут влиять на характер передачи напряжений между слоями: при его усадке произойдет разгрузка внутренней колонны, а при набухании - ее дополнительное нагружение.
Вывод
В результате долговременных натурных наблюдений в сложных горногеологических условиях апробированы методы диагностики и мониторинга состояния крепи и раскрыты механизмы передачи напряжений в комбинированной крепи. Результаты исследований были использованы Проектной конторой треста «Шахтспецстрой» при проектировании крепи стволов.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Сергеев С.В. Результаты обследования замерных станций в стволе № 1 Яковлевского рудника. //Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях. - Тр. 8 межд. симп-ма. - Белгород, 2005.
5. Булычев Н.С., Казикаев Д.М., Сергеев С.В. Использование методов расчета многослойной крепи при интерпретации результатов натурных наблюдений. - В кн.: Вопросы горного давления. -Новосибирск: Изд-во ИГД СО АН СССР, № 42, 1984.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------
Сергеев С.В.- доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой инженерной геологии и гидрогеологии Белгородского госуниверситета.
