CC BY
10
2008
A.С. Курилко, М.М. Иудин, Н.П. Крамсков,
B.Д. Залепилов
ПРОГНОЗ ПАРАМЕТРОВ КРЕПИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ ПО ГЕОМЕХАНИЧЕСКИМ УСЛОВИЯМ ОТРАБОТКИ ТРУБКИ БОТУОБИНСКАЯ
1ГЛимберлитовое месторождение Ботуобинская "Накынско-го" поля залегает в зоне сплошного распространения мно-голетнемерзлых пород (ММП). По геокриологическому фактору в породном массиве выделяются следующие зоны:
- деятельная зона - слой сезонного оттаивания и промерзания горных пород с поверхности, мощность слоя изменяется от 0,2 до 2,4 м и зависит от литологии слагающих пород, их влажности и экспозиции склона;
- многолетнемерзлые породы развиты до глубины 370-385 м, перекрывая сплошным экраном подмерзлотный верхнекембрийский водоносный комплекс, и изолируя его от поверхностных источников питания;
- зона распространения морозных пород. Морозные породы залегают в интервале 370-740 (800 м) м, насыщены криопэгами (рассолы с отрицательной температурой) и не содержат в своей структуре лед. Отрицательная температура пород зафиксирована в интервале 740-800 м (нулевая изотерма);
- зона пород с положительной температурой распространена с глубины 740-800 м.
Вскрытие месторождения проектируется двумя вертикальными стволами: клетевым и скиповым. Основные параметры вертикальных стволов составляют: диаметр 8 м, глубина - 610-642 м.
Анализ влияния геокриологических и геомеханических условий на эксплуатацию и поддержание капитальных горных выработок показывает, что рудник может работать при положительном тепловом режиме круглогодично. Это позволит обеспечить наиболее благоприятные условия труда горнорабочих и Таблица 1
Значение устойчивости пород по глубине ствола Глубина вертикально- | Величина критерия устойчивости пород С, рассчитанная ~
256
го ствола, Н, м
по формуле СНиП
При минимальном значении При среднем значении прочности пород на сжатие прочности пород на
сжатие
100 200 300 400 500 600
3,1 7,1
3.3
4.4 5,6 4,3
1,4 1,6 1,2 1,6 2,0 2,7
нормальные эксплуатационные режимы работы горных машин и оборудования в подземных условиях.
В качестве основных конструктивных рекомендаций по обеспечению геокриологических и геомеханических условий рекомендуются следующие мероприятия. Во всех горных выработках поддерживается положительный тепловой режим с оптимальными параметрами не ниже, чем +2 0С, что обеспечивает нормальные геомеханические условия поддержание крепи выработки в устойчивом состоянии.
В соответствии с требованиями СНиП выбор типа и расчет параметров крепи для протяженной части вертикального ствола следует производить на основании анализа устойчивости горных пород.
Величина критерия устойчивости пород вертикальной выработки определяется по формуле СНиП [1].
По данным института Якутнипроалмаз для геомеханических условий трубки Ботуобинская ввиду неоднозначности прочностных свойств вмещающих пород расчет критерия устойчивости выполнен для средних и минимальных значений прочности пород и приведен в табл. 1.
По СНиПу при значении критерия устойчивости до 3-х вмещающие породы оцениваются как имеющие устойчивое состояние (I категория), а от 3 до 6 - как среднеустойчивое состояние (II категория). Для горных пород I категории расчетные параметры крепи вертикальных выработок устанавливаются по рекомендациям СНиП. В горных породах II категории толщина бетонной крепи устанавливается специальным расчетом по методикам соответствующие геомеханическим условиям данного месторождения.
257
Как показывает расчет, устойчивость пород для месторождения Ботуобинская оценивается неоднозначно. В этих условиях целесообразно исходить из худших позиций, поэтому принимаем следующее положение: вмещающие породы вокруг вертикального ствола по всей глубине целесообразнее отнести ко II категории устойчивости. Тогда обеспечиваем определенный запас прочности, который будет уточнен в процессе опытно-промышленных и дополнительных лабораторных испытаний вмещающих пород.
Поэтому, учитывая, что многолетнемерзлые горные породы залегают до глубины 380 м, то до глубины 380 м расчет параметров крепи ствола будем выполнять с учетом термомеханического взаимодействия с породным массивом по методике ИГДС СО РАН. Далее залегают морозные горные породы, в которых отсутствует твердая фаза воды. Принимаем, что на глубине свыше 380 м на расчет параметров крепи вертикального ствола термомеханические процессы не оказывают практического влияния, и в этих условиях можно воспользоваться рекомендация СНиП.
Расчетная нагрузка на крепь вертикального ствола в зоне мно-голетнемерзлых пород определяется по формуле, разработанной на основании термомеханического взаимодействия крепи ствола и протаивающего мерзлого породного массива [2]: Р = 2,2ЪКг-Кп-К„-уН, кПа, (1)
где у — плотность горных пород, т/м3, Н — расстояние от поверхности земли до расчетного участка, где определяется нагрузка на крепь вертикального ствола, м.
Параметры расчетных коэффициентов, входящих в формулу (1), приведены в работе [2], для геомеханических условий породного массива трубки Ботуобинская имеют значения: Кг = 1,05; Кп = 0,35; К = 0,95.
Расчет нагрузки на крепь ствола определяется по формуле (9)
[1]:
Р = 10пт у пн [(2С — 1) + 2][1 + 0,1( Я — 3)], (2)
где Я - радиус ствола, м; п - коэффициент перегрузки, 1,3; ту - коэффициент условий работы, для монолитной крепи 0,8; пн - коэффициент приведения неравномерности нагрузки, 2,7; С - величина критерия устойчивости пород.
Толщина монолитной бетонной крепи ствола определяется по формуле СНиП [1]:
258
/
5 = 1,25Я
л
т1 ■ т2 ■ т3 ■ Ясж _ 1
т1 ■ т2 ■ тз ■ Я сж _ 2Кр ■ Р
(3)
у
Расчетные значения нагрузки на крепь ствола по формулам (1, 2) приведены в табл. 2. Причем до глубины 380 м расчетные значения нагрузки на крепь определялись по формуле (1). С глубины 400 м расчет нагрузки на крепь производилась по формуле (2). При расчете по формуле (2) критерий устойчивости вмещающих пород вертикального ствола принимался по табл. 1 при соответствующих параметрах ствола с учетом геокриологических условий трубки Бо-туобинская. Если вести расчет нагрузки на крепь ствола по критерию устойчивости по всей глубине ствола, то на глубине 200 м максимальная нагрузка составит 470 кПа, что меньше расчетной нагрузки, определенной по формуле (1), на глубине 300 м - 570 кПа. Таким образом, принимаем за расчетные нагрузки на бетонную крепь вертикального ствола, приведенные в табл. 2.
Проявление пластического деформирования породного массива вокруг трубки Ботуобинская возможно с глубины 400 м из-за слабых механических и прочностных свойств горных пород. Поэтому, влияние пластических деформаций на нагруженность бетонной крепи вертикального ствола оценим для глубины 400-600 м. По данным Н.К. Звонарева коэффициент сцепление для пород кимберлитовых месторождений составляет в среднем 6 МПа, а коэффициент внутреннего трения примерно 30 градусов. Рассчитанные параметры пластической области вокруг ствола на предельной глубине ствола 600 м составляют 0,48 м. Дополнительные перемещения за счет пластического деформирования пород по условию совместности смещений породного массива и поверхности крепи вызовут
Таблица 2
Нагрузка на крепь ствола по глубине, кПа
Н, м 100 200 300 400 500 600
Р, кПа 190 380 570 300 380 300
Таблица 3
Расчетная толщина бетонной крепи ствола, мм
Предел прочности на сжа- Глубина вертикального ствола, м
тие, МПа 100 200 300 400 500 600
15,5 105 220 340 170 220 170
259
17,5 95 190 300 150 190 150
19,5 85 170 265 135 170 135
максимально возможную нагрузку на бетонную крепь вертикального ствола равной 200 кПа, что существенно меньше максимальной нагрузки на крепь (570 кПа), по которой рассчитана толщина крепи.
Минимальная толщина бетонной крепи согласно требованиям СНиП принимается равной 200 мм. Максимальная толщина бетонной крепи по экономическим соображениям не должна превышать 500 мм. При превышении этих значений толщины крепи выработки ее параметры подбираются исходя несущей способности материала крепи. По данным СНиП предел прочности на сжатие при марке бетона М350 равен 15,5 МПа, для бетона М400 - 17,5 МПа, для бетона - М500 - 19,5 МПа.
Толщина монолитной бетонной крепи вертикального ствола по формуле (3) приведена в табл. 3.
Таким образом, максимальная расчетная толщина бетонной крепи вертикальных стволов для бетона М350 составит 340 мм. Если учесть коэффициент запаса 15-20 %, то получим нормативную толщину монолитной бетонной крепи стволов равной 400 мм. По условиям технологичности процесса крепления ствола рекомендуем толщину бетонной крепи в 400 мм на всю протяженность вертикального ствола при подземной отработке трубки Ботуобинская.
Выводы: Геомеханические условия месторождения Ботуобин-ская можно охарактеризовать как осложненные по геокриологическим факторам. Деформационное поведение горных пород при оттаивании и оценки их воздействия на параметры крепи вскрывающих выработок требует дополнительного исследования. Недостаточные лабораторные испытания горных пород трубки Ботуобин-ская по механическим и теплофизическим свойствам предполагают только выполнение предварительных оценок по температурному режиму вмещающих пород и напряженного состоянию породного массива вокруг вскрывающих выработок. Проверку прогнозных оценок можно осуществить в процессе опытно-промышленных испытаний подземной отработки трубки Ботуобинская.
--СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
260
1. СНиП 11-94-80. Часть 11. Нормы проектирования. Глава 94. Подземные горные выработки. М.: Стройиздат, 1982. - 30 с.
2. Иудин М.М., Самохин А.В., Петров Е.Е. Термомеханические процессы в вертикальных стволах месторождений Севера. - Новосибирск: Изд-во Наука. Сибирское предприятие РАН, 1999. - 176 с. ЕШ
— Коротко об авторах -
Курилко А. С. - доктор технических наук, Институт горного дела Севера
Иудин М.М. - кандидат технических наук, Институт горного дела Севера СО РАН,
Крамсков Н.П. - доктор технических наук, Институт Якутнипроалмаз, г. Мирный,
Залепилов В.Д. - Институт Якутнипроалмаз, г. Мирный.
СО РАН,
© В.В. Макаров, М.М. Иудин, 2008
В.В. Макаров, М.М. Иудин
МОДЕЛЬ ПРОТЕКАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ
261
