Применение податливого полимерного слоя при креплении выработок околоствольного двора Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

8 Условия образования месторождений калийных солей, сборник статей конференции. Пермь: ВНИИИГ, 1988. 90 с.

N.S. Bulichev, D.S. Komarov

CALCULATION OF NACESSARY PARAMETRS OF ICY PROTACTION LAYER IN LOCK PART

We have leaded the analysis of geological features of a structure of a license site. Considered the principles of calculation of an ice protection for over salt breeds. Had come to the conclusion about time frames of creation of an ice protection layer, which is necessary on capacity in ice-locked part.

Keywords: verhnekamskoe salt deposit, shaft, salt, rlieology, thickness, freezing.

Получено 17.02.2012

УДК 622.253.32:622.257.001.24

H.C. Булычёв д-р техн. наук, проф. (Россия, Тула, ТулГУ), Д.С. Комаров, асп. ТулГУ, (4872)-443457, denkom87@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

С.Б. Лукашин, асп. ТулГУ, stanislav-87@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ)

ПРИМЕНЕНИЕ ПОДАТЛИВОГО ПОЛИМЕРНОГО СЛОЯ ПРИ КРЕПЛЕНИИ ВЫРАБОТОК ОКОЛОСТВОЛЬНОГО ДВОРА

Проведён анализ особеннос?пей 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.

Предметом данной работы является расчёт сопряжений горизонтальных горных выработок с клетевым стволом, произведенным на Верхнекамском месторождении калийных солей, на территории, относящейся к вводимым в эксплуатацию мощностям ОАО «Еврохим».

Для решения используем уравнения теории пластического течения, которые являются связующими звеньями между приращением пластической деформации в данный момент времени и напряжением:

с

dzx - dsex + dA(ax - а) <dsy=dsey+dA((jy-(j), (1)

dsz = dsez + dZ(crz - a)

¿Уху = ЛУху + 2с/Хтху « ¿УXI = ФГл + 1<1\%Х2 , (2)

¿У у- = <*Уеу2 + 2^уг

при этом: при Я е приращения, составляющие упругую

деформацию по результатам натурных наблюдений (0,017.. .0,050 мм/сут); т у - касательные напряжения.

I? 1000 ?ОСО ЗООО 4000м

райои исследований

нефтяные скважины структурные скважины ? солеразведс^ые скважины

Рис. 1. Результаты геологического зонирования лицензированного участка

=

=

Сх -Су

Су-С-

(3)

при этом:

х3

сх = Су - ХуН а- = уЯ

(4)

Движение элемента массива горных пород определяется приложенными к нему силами, подсчитав которые получим деформационные уравнения движения:

¿Ш ^у с!щ-

+-- + -==- 4- рХ

с(х с!у €¡1

+ -

+

+ рУ

¿Шх с!х с/у ¿/г

¿Же ¿Ш 7

+ —- + рг

с!х с!у с1х

д2 и

(5)

где р- плотность тела; Х,У,2-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

■Уз

XV

У.1

_1

2 1

У vz

XV

где:

Бу =

'У IX

</ву

■У VI

8-

(6)

¿/вп

£У =

с/б.

¿У XV

Уху=~ж~1х2 =

Л

¿Ух= (К

8- =

У \2 ='

сН ' ¿У к Л

(7)

(8)

Величины ех, 8 у, с2 определяют скорости относительных удлинений элементарного объёма в направлении осей координат х, у, г, а уху, уХ2, уу1-

угловые скорости скашивания первоначально прямых углов.

Крепь в области сопряжений и горизонтальных выработок околоствольного двора представляет собой систему из двух слоев: первый- слой фибробетона, наполненного металлической игольчатой фиброй, второй-слой полимерного заполнителя, или же демпферный слой. В качестве демпферного слоя нами были рассмотрены шесть полимеров. А именно: полиамид-6, полипропилен, полистирол, ПВХ, АБС-пастик и поликарбонат.

Качественный показатель, исследуемый нами - это предельная де-формированность при заданной нагрузке.

В качестве исходных данных для расчёта введём данные по скиповому стволу. В качестве расчётной области прими отметку в -509,940 м. Это максимальная глубина расположения камер питателя конвейера. Исходной формулой для расчёта является закон Гука, так как нам интересна деформация демпферного слоя в вертикальной плоскости (плоскость

хог).

Общая продольная деформация при нагрузке

Рис. 2. Физико-механические свойства полистирола под нагрузкой

а7=в ГЕЬ (9)

где г^ - деформация исследуемого материала; - модуль Юнга исследуемого материала; а7- - нагрузка, приложенная к образцу исследуемого материала.

Уравнение (9) говорит о том, что чем больше модуль упругости материлала (£), тем меньше его предельная деформация б . В наших условиях необходим материал с максимальной деформированностью под заданной нагрузкой без нарушения сплошности. Решения 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- это 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 нам

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

п 8

в натурных условиях а=0,7; 5=0,00445 " .

В результате исследований установлено, что:

- 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, мы можем автоматизировать расчёт по уравнениям (1) и (2) с помощью среды МаШСАО. Не стоит забывать, что главной областью нашего расчёта являются сопряжения, т.е. инженерные сооружения, находящиеся в неспо-редственном влиянии ствола. И как, следовательно, именно в околоствольных выработках наблюдается максимальная конвергенция. Конвергенция распространяется вдоль от выработки по параболическому закону, т.е. вблизи крупной выработки (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, предоставляем графическую интерпретацию данного процесса в течении года на контуре незакреплённой выработки околоствольного двора.

Конвергенция массива пород за расчётный срок (50 лет) составит в самых опасных участках сопряжений порядка 36,3 до 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.

По приведённым выше расчётам и графическим обоснованиям 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 времени, демпферный слой, ввиду последующей конвергенции горного массива не сможет более обеспечивать заложенных на него функций, ввиду того, что степень сжатия материала в ограниченном объёме, превысит максимальные деформационные характеристики материала.

0,02 Я 0,018

Ф

•Ряд1

0 200 400

время активной фазы, сутки

Рис. 3. Конвергенция горизонтальной выработки в течении года

С этого момента он станет более 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 A.A. Полимерные композиционные материалы: свойства, структура, технологии. Санкт-Петербург: Профессия, 2008. С. 65-202.

2. Боликов В.Е., Константинова С.А. Прогноз и обеспечение устойчивости капитальных горных выработок. РАН УО, Екатеринбург, 2003. С. 210-270.

3. Булычёв Н.С. Механика подземных сооружений. М.: Недра, 1983. С.170-240.

4. Крыжанский В.К. Технология полимерных материалов. Санкт-Петербург: Профессия, 2008. 200 с.

5. Малкин А.Я., Исаев А.И. Реология: концепции, методы, приложения. Санкт-Петербург: Профессия, 2007. 110 с.

6. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Пластичность горных пород. М.: Недра,1979. С.66-81.

7. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Прочность горных пород и устойчивость выработок на больших глубинах. М.: Недра,1985. С. 23-70.

N.S. Bulichev, D.S. Komarov

USING OF THE PLIABLE POLYMERIC LAYER AT FASTENING OF SHAFT

YARD

We have leaded the analysis of geological features of a structure of a license site. Principles of calculation of the construction are considered; a number of polymeric materials were investigated; suggest a polymer layer, which lies between fiberconcrete and salt massive. Took place a number of calculations about service life of a polymeric layer and potential "construction life " of horizontal underground buildings in general.

Key words: Verhnekamskoe salt deposit, shaft, salt, rheology, fiberconcrete, polystyrene.

Получено 17.02.2012

УДК 622.822.2

Е.И. Захаров, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ),

Г.Д. Овсянников, д-р техн. наук, проф. (Россия, Тула, ОАО «НИГП»), В.И. Сарычев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41_(Россия, Тула, ТулГУ)

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ПОЖАРОБЕЗОПАСНЫХ УСЛОВИЙ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧИ УГЛЯ

Рассмотрены причины зарождения очагов самонагревания угля в массиве и их скопления - процессы аутоокисления, то есть реакции, реализующие радикально-цепной механизм, а также химические, электрохимические, биохимические и внешние воздействия, которые подготавливают и инициируют его процесс. Это обусловливает случайный характер очагов самонагревания и локальное их распределение в массиве. Обосновывается выбор пожаробезопасных условий самонагревания угля.

Ключевые слова: аутоокисление угля, самонагревание, самовозгорание, эндогенный пожар, случайная величина, локальное распределение очагов.