CC BY
63
УДК 622.281
Н.С. Булычёв д-р техн. наук, проф., (4872)-35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ), Д.С. Комаров, асп., (4872)-443457, denkom87@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ПРИМЕНЕНИЕ ДЕМПФЕРНОГО ПОЛИМЕРНОГО СЛОЯ ПРИ КРЕПЛЕНИИ СОПРЯЖЕНИЙ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК С КЛЕТЕВЫМ СТВОЛОМ
Проведён анализ особенностей проектирования и строительства сопряжений горизонтальных выработок с клетевым стволом. Рассмотрены принципы расчёта данного сооружения; предложен ряд полимерных материалов, в качестве демпферного слоя между фибробетоном и соляной толщей. Сделан вывод о сроках службы полимерного слоя и всей крепи горизонтальных горных выработок в частности.
Ключевые слова: Верхнекамское месторождение, ствол, каменная соль, реология, толща, демпферный слой, фибробетон, полистирол.
В работе предложен расчет сопряжений горизонтальных горных выработок с клетевым стволом на Палашерском и Балахоцевском участках Верхнекамского месторождения. Лицензионный участок находится в Усольском муниципальном районе на территории, подчинённой г. Березники, в 15 км южнее данного города.
Для решения используем уравнения теории пластического течения, которые являются связующими звеньями между приращением пластической деформации в данный момент времени и напряжением:
йгх = (£ех + ( 1(0х - О),
(еу = йееу + (1(оу -о), (1)
(е = (ее + ( 1(о -о),
г г \ 2
(у = (Iе + 2( 1т ,
* ху > ху ху ~
(у = (у + 2(1т , (2)
4 Х2 > Х2 Х2 ' V /
(у = (У + 2(т ,
§ У2 9 у 2 У2 5
при этом X е (-¥>;+¥>); (г ...йуХу- приращения, составляющие упругую де-
формацию по результатам натурных наблюдений (0,017...0,050 мм/сут); т! - касательные напряжения.
1
1 2 1
т2 =-2 2
1 2
о -о
х у
О -О
у 2
Т3 =-\°2 О
при этом
о
уи, 1
(4)
о = — (о +о +о ).
ср V х у г/
3
Движение элемента массива горных пород определяется приложенными к нему силами, подсчитав которые, получим деформационные уравнения движения:
й о
йх й 1
й 1 х + +
й 1
Ух
йх й 1
йу й о
__у_
йу й 1
гу
йг й 1
+
уг
йг й о
+ рХ = р
+ р7 = р
йх йу йг
+ = Р
й2и
Иё
й2и
ж2 Л
йг2
(5)
где р - плотность тела; X, Y, Ъ - проекции объёмных сил на оси координат, отнесённые к единице массы; 1 - время.
Наблюдения за напряжённо-деформированным состоянием горных пород показывают, что механические процессы в массивах горных пород зависят от времени.
Скорость деформации среды в точке можно охарактеризовать тензором скорости деформации:
Т =
1
1
е х 2 уху 2 Ууг
1 1
2 уху е у 2 е уг
1 1
2 УгУ 2 Ууг е г
(6)
где
йе
у
йе
у
йе.
-у
йг у
= ^Ух^ уху ухг
йг
.йУхг
Ууг
йг
_ ¿Ууг
(7)
(8)
йг йг 7 йг
Величины ех, еу, ег определяют скорости относительных удлине
ний элементарного объёма в направлении осей координат х, у, 2; уху, ухг
у уг - угловые скорости скашивания первоначально прямых углов.
V
е
г
Крепь в области сопряжений и горизонтальных выработок околоствольного двора представляет собой систему из двух слоёв: первый -слой фибробетона, наполненного металлической игольчатой фиброй, второй - слой полимерного заполнителя, или демпферный слой. В качестве демпферного слоя были рассмотрены шесть полимеров, а именно поли-амид-6, полипропилен, полистирол, ПВХ, АБС-пастик и поликарбонат.
Качественный показатель, исследуемый авторами, - это предельная деформированность при заданной нагрузке.
В качестве исходных данных для расчёта введём данные по скиповому стволу. В качестве расчётной области примем отметку 509,940 м. Это максимальная глубина расположения камер питателя конвейера. Исходной формулой для расчёта является закон Гука, так как интересна деформация демпферного слоя в вертикальной плоскости (плоскость ХОЪ):
о, = е, • Е,, (9)
где е, - деформация исследуемого материала; Е, - модуль Юнга исследуемого материала; о, - нагрузка, приложенная к образцу исследуемого материала:
Уравнение (9) говорит о том, что чем больше модуль упругости материала (Е), тем меньше его предельная деформация е. В данных условиях необходим материал с максимальной деформированностью под заданной нагрузкой без нарушения сплошности. Решение данной задачи представлено в графическом виде. Результаты исследований обработаны и по ним построены графики, которые наглядно отражают искомую концепцию. При прочих равных условиях (нагрузка и временные интервалы испытаний) был выбран полимер для последующего исследования - полистирол. Данный материал показал наилучшие выходные данные по системе «нагрузка - деформация».
Теперь стоит обратиться к данным по смещению приконтурных пород в исследуемой зоне. Результаты исследований могут послужить исходными данными для моделирования поведения массива в незакреплённой выработке.
В натурных условиях Третьего Березниковского калийного рудника были проведены наблюдения за смещениями приконтурных пород в районе околоствольных выработок на замерных станциях, оборудованных реперами глубинного типа, установленными на глубине 10...12 м от обнажения пород (С.А. Константинова, В.Л. Копытов, А.И. Харцызови, Н.Д. Лужецкая). Наблюдения проводили в течение 3 лет. За это время деформаций приконтурных пород с разрывом их сплошности не наблюдалось. По методике, учитывающей время, прошедшее с момента проведения выработки до момента установки реперов, были определены параметры ползучести подстилающей каменной соли вблизи контура одиночной выработки
а 8
в натурных условиях а=0,7; 5=0,00445 - .
В результате исследований установлено:
- скорость смещения породного контура одиночной выработки доходит до 0,00227 мм/год;
- за 30 лет кровля незакреплённой одиночной выработки на глубине Н=480 м из-за ползучести вмещающих пород сместится на 20,4 мм, т.е. очень незначительно;
- скорость смещения породного контура вблизи стволов и на сопряжениях их с приствольными выработками на стадии установившейся ползучести значительно выше ( в 10 раз), чем в одиночной выработке.
- смещения породного контура околоствольных выработок вблизи стволов не превысят 25 см за весь срок службы рудника;
- стенки околоствольных выработок смещаются со средней скоростью 0,017.0,050 мм/сут.
Оперируя вышеприведенными результатами натурных наблюдений, можно автоматизировать расчёт по уравнениям (1) и (2) с помощью среды МаШСЛО. Не стоит забывать, что главной областью расчёта являются сопряжения, т.е. инженерные сооружения, находящиеся в неспоредственном влиянии ствола. И, следовательно, именно в околоствольных выработках наблюдается максимальная конвергенция. Конвергенция распространяется вдоль от выработки по параболическому закону, т.е. вблизи крупной выра-ботки( в нашем случае- ствола) она может составлять десятки сантиметров, в то время, как в отдаленных участках горизонтальных выработок смещения могут происходить всего на несколько сантиметров за весь срок службы подземного шахтного комплекса. В автоматизированном расчёте отражены задание исходных данных(таких, как физико-механические характеристики пород данного горизонта, глубина залегания), и расчёты в начальный отрезок времени.
В качестве наглядной иллюстрации процесса конвергенции предложена графическая интерпретация данного процесса в течение года на контуре незакреплённой выработки околоствольного двора (рисунок).
Конвергенция массива пород за расчётный срок (50 лет) составит в самых опасных участках сопряжений порядка 36,3.41,3 см. При этом, максимальная деформация демпферного слоя при таких показаниях конвергенции должна составлять порядка 80.90 % от начального объёма. Такие деформации без нарушения сплошности и возникновения магистральных трещин на образце обеспечивает полистирол.
—Ряд1 0
0.016 <с
<0 X ш =
г <Т5 о.
а л 0 0.008 ГС 1 •и а.
а.
0 '
5 0 1С 0 р 1. к 0 .я я т 1ГС 2С нг 0 Й ф аз ы г: с 0 ки ЗС 0 з; 0 -1С
Рис. 2. Конвергенция горизонтальной выработки в течение года
Из приведённых выше расчётов и графических обоснований видно, что демпферный слой толщиной порядка 0,5 м будет корректно работать, выполняя все возложенные на него функции, порядка 45-50 лет. По истечении данного срока демпферный слой ввиду последующей конвергенции горного массива не сможет более обеспечивать заложенных на него функций, так как степень сжатия материала в ограниченном объёме превысит максимальные деформационные характеристики материала. С этого момента он станет не работоспособен и вся нагрузка без каких-либо компенсаций и перераспределений ляжет полностью на фибробетонную крепь, толщиной 0,5 м.
В такой ситуации несущая способность крепи целиком и полностью зависит как от физико-механических характеристик исходной бетонной смеси, так и от физико-механических и геометрических показателей материала заполнителя, выполняющего роль фибры.
Список литературы
1. Берлин А.А. Полимерные композиционные материалы: свойства, структура, технологии. Санкт-Петербург: Профессия, 2008.
2. Боликов В.Е., Константинова С.А. Прогноз и обеспечение устойчивости капитальных горных выработок. Екатеринбург: УО РАН, 2003.
3. Булычёв Н.С. Механика подземных сооружений. М.: Недра. 1983.
4. Крыжанский В.К. Технология полимерных материалов. Санкт-Петербург: Профессия, 2008.
5. Малкин А.Я., Исаев А.И. Реология: концепции, методы, приложения. Санкт-Петербург: Профессия, 2007.
6. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Пластичность горных пород. М.: Недра, 1979.
7. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Прочность горных пород и устойчивость выработок на больших глубинах. М.: Недра, 1985.
N.S. Bulichev, D.S. Komarov
APLICATION OF THE POL YMERICAL LAYER AT FASTENING OF INTERFACES OF HORIZONTAL MINE WITH CAGER TRUNK
The geological features of a structure of a license site were realized. Principles of calculation of the construction are considered. Number of polymeric materials were investigated suggest a polymer layer, which lies between fiberconcrete and salt massive. Number calculating about service life of a polymeric layer and potential "construction life " of horizontal underground buildings in general was discussed.
Key words: Verhnekamskoe salt deposit, shaft, salt, rheology, fiberconcrete, polystyrene.
Получено 24.11.11
УДК 622.026.5-52
В.А. Дунаев, д-р геол.-минерал. наук, проф., зав отд. (4722) 26-18-33 (Россия, Белгород, ОАО «ВИОГЕМ»),
И.М. Игнатенко, науч. сотр., (4722) 26-18-33, ignat86_m@mail.ru
(Россия, Белгород, ОАО «ВИОГЕМ»),
А.Н. Овсянников, асп., ignat86_m@mail.ru
(Россия, Белгород, НИУ «БелГУ»),
Н.А. Годовников, асп., ignat86 m@mail.ru
(Россия, Белгород, НИУ «БелГУ»)
МЕТОДИКА И АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ ВЗРЫВАЕМОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД НА КАРЬЕРАХ
Изложены методика оценки взрываемости горных пород на карьерах, предусматривающая дистанционный(фотометрический) способ получения исходных данных о блочности пород в уступах карьера и кусковатости взорванной горной массы, математическое моделирование и компьютерные технологии обработки информации, дана характеристика автоматизированной системы, в которой эти технологии реализуются.
