CC BY
0
16. Shokarev D.A., Shaposhnik Yu.N., Konurin A.I. Introduction of the technology of fastening with reinforced combined fasteners during mining at the Artemevskaya mine // Bulletin of Kuzbass State Technical University. 2018. No. 2. pp. 21-29.
17. Improvement of computational and experimental methods for designing mine shafts / M. S. Pleshko, Yu. A. Silchenko, A. N. Pankratenko, A. A. Nasonov // Mining information and analytical bulletin. 2019. No. 12. pp. 55-66.
18. Kayumova A.N., Balek A.E., Kharisov T.F. Assessment of the safety of sinking of converged capital chamber workings in difficult mining, geological and geotechnical conditions // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2022. No. 7. pp.131- 147.
19. Korchak P.A., Karasev M.A. Geomechanical substantiation of the formation of zones of brittle rock destruction in the vicinity of mine workings of Apatit JSC mines // Sustainable development of mountain territories. 2023. vol. 15. No. 1 (55). pp. 67-80.
20. Protosenya A.G., Verbilo P.E. Studying the compressive strength of a fractured rock massif // Notes of the Mining Institute. 2017. 223. pp. 51 - 57.
21. Kasparyan E.V., Fedotova Yu.V., Kuznetsov N.N. The development of ideas about the natural stress state of rock massifs // Proceedings of the Kola Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2019. No. 6-1. pp. 110 - 128.
22. The choice of types and parameters of supports in the conditions of underground mining of apatite-nepheline deposits / V.S. Onuprienko, A.A. Eremenko, Yu.N. Shaposhnik, A.N. Kopytov // Bulletin of the Kuzbass State Technical University. No. 2. 2023. pp. 56-70.
УДК 622.062
ТЕХНОЛОГИЯ КОМБИНИРОВАННОГО КРЕПЛЕНИЯ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ В УСЛОВИЯХ НЕРАВНОМЕРНОГО ТЕКТОНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
А.Н. Панкратенко, И.В. Маркин
В Российской Федерации большинство рудников строятся и функционируют в породных массивах, характеризующихся неравномерным полем горизонтальных напряжений, обусловленных тектоническими причинами. К таким объектам относятся большинство предприятий Норильского промышленного района, Урала, Забайкальского края, Кольского п-ва и др. На основании ранее проведённых исследований установлено, что на больших глубинах даже в высокомодульных прочных породах монолитная бетонная крепь стволов в условиях неравномерного тектонического воздействия не обладает требуемой несущей способностью на интервалах, где расстояния между сопряжениями составляют менее 40 м. Требуется переход на крепь из монолитного железобетона или тюбинги, что приводит к значительному удорожанию конструкций, увеличению трудоемкости и стоимости крепления. В связи с этим предложен новый подход к строительству стволов в рассматриваемых условиях, который заключается в применении параллельной технологической схемы с возведением в при-забойной зоне ствола передовой крепи с переменным по сечению ствола сопротивлением. Передовая крепь включает в себя трехуровневые анкера, сетку, армокаркасы усиления и слой торкрет-бетона. Основная крепь возводится с отставанием 35 м от проходческого забоя. Прочностные характеристики основной крепи при этом уточ-
няются на основе данных геомеханического мониторинга в призабойной зоне в период проходки. Он включает в себя измерение конвергенции стенок ствола и установку в процессе проходки ствола замерных станций, состоящих из струнных датчиков деформаций. Реализация разработанных решений и последующий длительный мониторинг показали, что благодаря применению параллельной технологической схемы проходки с передовой комбинированной крепью наблюдается выравнивание уровня напряжений по сечению основной крепи, а это, в свою очередь, положительно влияет на ее работоспособность и долговечность.
Ключевые слова: ствол, тектоника, напряжения, крепление, несущая способность, анкер, технология проходки.
Введение
Современные рудники на территории Российской Федерации строятся и эксплуатируются в весьма сложных горно-геологических условиях [1, 2]. Это приводит к росту стоимостных затрат и сроков строительства объектов, а также вызывает необходимость использования нестандартных моделей механического состояния массива для обоснования конструктивных решений подземных горных выработок, при этом точность задания свойств пород существенно влияет на результаты расчетов и адекватность принятых параметров конструкций, в частности крепи и армировки [3 - 4].
В Российской Федерации при этом большинство рудников с подземным способом добычи строятся и функционируют в породных массивах, характеризующихся неравномерным полем горизонтальных напряжений, обусловленных тектоническими причинами. К таким объектам, в частности, относятся большинство предприятий Норильского промышленного района, Урала (Гайский ГОК, Учалинский ГОК, Подольский рудник, рудник «Юбилейный»), рудники Забайкальского края, Кольского п-ова и
др.) [5 - 7].
Современные исследования и нормативные документы не позволяют производить обоснованный выбор и расчет параметров крепления стволов и прочих капитальных горных выработок в условиях неравномерного тектонического воздействия, а теоретическая база обоснования данных решений также остается неразработанной [8 - 10].
Ситуация осложняется низкой точностью изысканий при проектировании новых рудников, обусловленных ростом глубин разработки и возникающими, в связи с этим большими отклонениями при бурении контрольно-стволовых скважин. Параметры поля напряжений при этом принимаются на основе геодинамического районирования постоянными по всей глубине ствола [11 - 12]. Такая ситуация может привести к проектным ошибкам и использованию крепей, не соответствующих реальным эксплуатационным условиям [13].
В этой связи обоснование параметров технологии крепления шахтных стволов, обеспечивающих снижение затрат и повышение безопасности горнопроходческих работ на участках, где в породах действуют неравно-
мерные горизонтальные тектонические напряжения, является весьма актуальным [14 - 16].
На основании ранее проведённых исследований автором было установлено, что на больших глубинах даже в высокомодульных прочных породах монолитная бетонная крепь стволов в условиях неравномерного тектонического воздействия не обладает требуемой несущей способностью на интервалах, где расстояния между сопряжениями составляют менее 40 м. Требуется переход на крепь из монолитного железобетона или тюбинги, что приводит к значительному удорожанию конструкций, увеличению трудоемкости и стоимости крепления, а также доли ручного труда при производстве работ [17 - 19].
В связи с этим предложен новый подход к строительству стволов в рассматриваемых условиях, который заключается в применении параллельной технологической схемы с возведением в призабойной зоне ствола передовой крепи с переменным по сечению ствола сопротивлением. Передовая крепь включает в себя трехуровневые анкера, сетку, армокаркасы усиления и слой торкретбетона. Основная крепь возводится с отставанием 35 м от проходческого забоя. Прочностные характеристики основной крепи при этом уточняются на основе данных геомеханического мониторинга в призабойной зоне в период проходки (рис. 1).
Рис. 1. Схема крепления ствола в условиях неравномерного поля горизонтальных напряжений
На обычных участках стволов рекомендуется следующий порядок проходки и крепления.
1. Ниже отметок последних опорных венцов проходку стволов в скальных породах следует осуществлять по совмещенной технологической схеме. Выемка породы производится с применением буровзрывных работ, монолитная бетонная крепь возводится в направлении сверху вниз вслед за подвиганием забоя ствола.
Возведение бетонной крепи предусматривается с применением секционной металлической опалубки типа ОСД диаметром 6,5 м и высотой 4,0 м.
После приведения ствола в безопасное состояние проводятся уборка породы на высоту 4,0 м, спуск и центрирование опалубки (диаметром 6,5 м) и за нее по двум бетонопроводам - бетонирование заходки. Толщина бетонной крепи составляет 0,3 м на протяженных частях стволов и 0,5 м в районах сопряжений.
Спуск бетонной смеси по стволу до глубины 300 м производится по двум ставам металлических труб, оканчивающихся телескопами, которые заводятся непосредственно в «карманы» секционной опалубки. Глубже бетон доставляется на проходческий полок в специальной бадье, где разгружается в приёмный бункер, из которого через телескоп подается за опалубку.
Сопряжения проходятся слоями сверху вниз, т.е. в первую очередь проходится сводчатая часть сопряжения. Проходка первого слоя сопряжения осуществляется сплошным забоем. Разработка породы производится буровзрывным способом.
После сооружения крыла сопряжения на высоту верхнего слоя производится дальнейшая проходка ствола на высоту нижнего слоя сопряжения. Одновременно с проходкой ствола производится проходка нижнего слоя сопряжения.
Бурение шпуров в крыльях сопряжений осуществляется ручными перфораторами, для уборки породы целесообразно использовать скреперную лебедку и грейферный погрузчик. В качестве временной крепи сопряжений следует использовать анкерную железобетонную крепь.
На участках между близко расположенными сопряжениями следует применять предложенную схему комбинированного крепления с многоуровневой анкерной крепью.
Применение описанной технологии работ позволяет обеспечить нормативные скорости проходки стволов до 80 м/мес.
В целях уточнения фактических свойств породного массива, оценки проявлений горного давления, анализа напряженно-деформированного состояния призабойной зоны стволов и возможности оперативного внесения изменения в параметры проведения и крепления стволов при изменении горно-геологических условий следует осуществлять научно-техническое сопровождение проекта специализированной организацией.
В случае изменения проектных параметров по результатам мониторинга и дополнительных расчетов, следует согласовать указанные изменения со специализированной организацией, осуществляющей научное сопровождение работ. В качестве эффективного решения рекомендуется переход на крепление ствола сталефибробетонной крепью.
Мониторинг горнопроходческих работ в призабойной зоне включает измерение конвергенции стенок ствола и установку в процессе проходки ствола замерных станций, состоящих из струнных датчиков отечественного производства.
Измерение смещений стенок ствола производится высокоточным ленточным экстензометром в двух взаимно перпендикулярных направлениях, соответствующих направлениям действия максимальных и минимальных горизонтальных напряжений. Построенные по результатам замеров графики позволяют наглядно показать неравномерность смещений по взаимно перпендикулярным осям ствола.
В неравномерном тектоническом поле напряжений следует комплектовать каждую замерную станцию не менее чем тремя группами датчиков, разнесенных под углом 1200 в сечении выработки.
Фотографии элементов замерной станции приведены на рис. 2.
[ к, ж
Рис. 2. Фотография замерной станции на участке сопряжения
ствола с горизонтом
Разработанные решения были реализованы в глубоких стволах Норильского промышленного района. Длительные наблюдения осуществлялись в течение полутора лет. Породы в местах установки датчиков были представлены неравномерно переслаивающимися доломитами, ангидритами и мергелями.
Пример результатов мониторинга в виде графиков относительных деформаций приведен на рис. 3.
Рис. 3. Относительные тангенциальные деформации в основной
крепи ствола
Анализ построенных графиков показывает, что деформации на участке ствола стабилизировались, крепь работает в нормальном режиме. При этом благодаря применению параллельной технологической схемы проходки с передовой комбинированной крепью наблюдается выравнивание уровня напряжений по сечению основной крепи, что положительно сказывается на ее работоспособности и долговечности.
Заключение
Таким образом, по результатам проведенных исследований установлено, что в глубоких стволах в неравномерном тектоническом поле горизонтальных напряжений область применения бетонной крепи существенно увеличивается при переходе на параллельную схему работ с использованием комбинированной передовой крепи переменного сопротивления, параметры которой определяются по разработанной методике и корректируются по данным мониторинга ствола в призабойной зоне.
Рассмотренная концепция легла в основу разработки специальных технических условий на проектирование ствола рудника «Скалистый», также были разработаны специальные технические условия для рудников месторождения «Юбилейное» и Учалинского ГОКа.
Список литературы
1. Рыбак С.А. Особенности строительства и крепления вертикальных стволов в тектонически напряженном горном массиве // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2008. № 5. С. 200 - 206.
2. Каспарьян Э.В., Федотова Ю.В., Кузнецов Н.Н. Развитие представлений о естественном напряженном состоянии массивов скальных пород // Труды Кольского научного центра РАН. 2019. 10. № 6-1. С. 110 -128.
3. Experimental study on the dynamic mechanical properties of highperformance hybrid fiber-reinforced concrete of mine shaft lining / W. Cheng [and others] // Journal of Materials Research and Technology. 2021. 14(05).
4. Thickness Identification of Tunnel Lining Structure by Time-Energy Density Analysis based on Wavelet Transform / Z. Sheng, H. Wenchao, L. Yongsuo, Z. Yuchi // Journal of Engineering Science and Technology Review. 2019. 12(4). P. 28 - 37.
5. Geomechanical monitoring and stress-strain analysis of lining in ultra deep mine shafts / M.S. Pleshko, A.N. Pankratenko, A.A. Nasonov, A.S. Isaev // Eurasian Mining. 2023. 39(1). P. 13 - 19.
6. Бушков В.К., Шеметов Р.С. Определение устойчивости и обоснование систем крепления горных выработок при переходе к отработке Олимпиадинского месторождения подземным способом // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020. № 9. С. 40 - 54.
7. Совершенствование расчетно-экспериментальных методов проектирования шахтных стволов / М. С. Плешко, Ю. А. Сильченко, А. Н. Панкратенко, А. А. Насонов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019. № 12. С. 55 - 66.
8. Notch formation in vertical excavations in a deep hard rock mine and rock stabilization methodologies / А. Hall, M. Cai, B. Simser, J. Lindsay // Deep Resources Engineering. 2024 (1).
9. Jendrys M. Analysis of stress state in mine shaft lining, taking into account superficial defects // IOP Conference Series Earth and Environmental Science. 2019. Earth Environ. Sci. 261 012016.
10. Zhao X.; Deng, L.; Zhou X. A Primary Support Design for Deep Shaft Construction Based on the Mechanism of Advanced Sequential Geopres-sure Release // Processes. 2022(10). P. 1376.
11. Evaluation of vertical shaft stability in underground mines: comparison of three weight methods with uncertainty theory / C. Chao, Z. Jian, Z. Tao, Y. Weixun // Natural Hazards. 2021(109). P. 1 - 23.
12. Influence of faulting on a mine shaft - a case study: part I - background and instrumentation / G. Bruneau, D.B. Tyler, J. Hadjigeorgiou, Y. Pot-vin // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2003(40). P. 95 - 111.
13. Pleshko M., Meskhi B., Pleshko M. A new method for calculating the combined anchor-concrete support of underground structures // MATEC Web of Conferences. 2018(170). 03023.
14. Шокарев Д.А., Шапошник Ю.Н., Конурин А.И. Внедрение технологии крепления усиленной комбинированной крепью при проходке
горных выработок на шахте «Артемьевская» // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2018. № 2. С. 21 - 29.
15. Каюмова А.Н., Балек А.Е., Харисов Т.Ф. Оценка безопасности проходки сближенных капитальных камерных выработок в сложных горно-геологических и геотехнических условиях // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2022. № 7. С.131-147.
16. Корчак П.А., Карасев М.А. Геомеханическое обоснование формирования зон хрупкого разрушения пород в окрестности сопряжений горных выработок рудников АО "Апатит" // Устойчивое развитие горных территорий. 2023. Т. 15. № 1 (55). С. 67 - 80.
17. Выбор типов и параметров крепей в условиях подземной отработки апатит-нефелиновых месторождений / В.С. Онуприенко, А.А. Еременко, Ю.Н. Шапошник, А.Н. Копытов // Bulletin of the Kuzbass State Technical University. 2023. № 2. С. 56 - 70.
18. Маркин И. В. Напряженно-деформированное состояние крепи вертикальных стволов в неравномерном тектоническом поле напряжений // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2023. № 11. 20 с.
19. Маркин И. В. Оценка несущей способности крепи и устойчивости ствола в неравномерном тектоническом поле напряжений // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2024. № 1. С. 25 - 36.
Панкратенко Александр Никитович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, [email protected], Россия, Москва, НИТУ «МИСИС»,
Маркин Илья Владимирович, аспирант, [email protected], Россия, Москва, НИТУ «МИСИ»
TECHNOLOGY OF COMBINED FASTENING OF MINE SHAFTS UNDER CONDITIONS OF UNEVEN TECTONIC INFLUENCE
A.N. Pankratenko, I.M. Markin
In the Russian Federation, most mines are built and operate in rock masses characterized by an uneven field of horizontal stresses due to tectonic reasons. Such objects include the majority of enterprises of the Norilsk industrial region, the Urals, the Trans-Baikal Territory, the Kola Peninsula, etc. Based on previously conducted studies, it was established that at great depths, even in high-modulus strong rocks, monolithic concrete support for shafts under conditions of uneven tectonic influence does not has the required load-bearing capacity at intervals where the distances between joints are less than 40 m. A transition to support made of monolithic reinforced concrete or tubing is required, which leads to a significant increase in the cost of structures, an increase in labor intensity and the cost offastening. In this regard, a new approach to the construction of shafts in the conditions under consideration has been proposed, which consists in the use of a parallel technological scheme with the construction of advanced support with variable resistance along the shaft section in the bottomhole zone of the shaft. Advanced support includes three-level anchors, mesh, reinforcement cages and a
layer of shotcrete. The main support is erected with a lag of 35 m from the tunneling face. The strength characteristics of the main support are clarified on the basis of geomechanical monitoring data in the bottomhole zone during the excavation period. It includes measuring the convergence of the shaft walls and installing measuring stations consisting of string strain gauges during the shaft sinking process. The implementation of the developed solutions and subsequent long-term monitoring showed that thanks to the use of a parallel technological scheme of excavation with advanced combined support, there is an equalization of the stress level across the cross-section of the main support, and this in turn has a positive effect on its performance and durability.
Key words: shaft, tectonics, stress, fastening, bearing capacity, anchor, sinking technology
Pankratenko Alexander Nikitovich, doctor of technical sciences, prof., head. of chair, [email protected], Russia, Moscow, NUST«MISIS»,
Markin Ilya Vladimirovich, postgraduate, [email protected], Russia, Moscow, NUST
MISIS
Reference
1. Rybak S.A. Features of the construction and fastening of vertical trunks in a tec-tonically stressed mountain massif // Mining information and analytical bulletin. 2008. No. 5. pp. 200 - 206.
2. Kasparyan E.V., Fedotova Yu.V., Kuznetsov N.N. The development of ideas about the natural stress state of rock massifs // Proceedings of the Kola Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2019. 10. No. 6-1. pp. 110 - 128.
3. Experimental study on the dynamic mechanical properties of high-performance hybrid fiber-reinforced concrete of mine shaft lining / W. Cheng [and others] // Journal of Materials Research and Technology. 2021. 14(05).
4. Thickness Identification of Tunnel Lining Structure by Time-Energy Density Analysis based on Wavelet Transform / Z. Sheng, H. Wenchao, L. Yongsuo, Z. Yuchi // Journal of Engineering Science and Tech-nology Review. 2019. 12(4). P. 28 - 37.
5. Geomechanical monitoring and stress-strain analysis of lining in ultra deep mine shafts / M.S. Pleshko, A.N. Pankratenko, A.A. Nasonov, A.S. Isaev // Eurasian Mining. 2023. 39(1). P. 13-19.
6. Bushkov V.K., Shemetov R.S. Determination of stability and justification of systems for fastening mining workings during the transition to the development of the Olympi-adinsky deposit by an underground method // Mining information and analytical bulletin. 2020. No. 9. pp. 40 - 54.
7. Improvement of computational and experimental methods for designing mine shafts / M. S. Pleshko, Yu. A. Silchenko, A. N. Pankratenko, A. A. Nasonov // Mining information and analytical bulletin. 2019. No. 12. pp. 55-66.
8. Notch formation in vertical excavations in a deep hard rock mine and rock stabilization methodologies / A. Hall, M. Cai, B. Simser, J. Lindsay // Deep Resources Engineering. 2024 (1).
9. Jendrys M. Analysis of stress state in mine shaft lining, taking in-to account superficial defects // IOP Conference Series Earth and Environ-mental Science. 2019. Earth Environ. Sci. 261 012016.
10. Zhao X.; Deng, L.; Zhou X. A Primary Support Design for Deep Shaft Construction Based on the Mechanism of Advanced Sequential Geo-pressure Release // Processes. 2022(10). P. 1376.
11. Evaluation of vertical shaft stability in underground mines: com-parison of three weight methods with uncertainty theory / C. Chao, Z. Jian, Z. Tao, Y. Weixun // Natural Hazards. 2021(109). P. 1 - 23.
12. Influence of faulting on a mine shaft - a case study: part I - back-ground and instrumentation / G. Bruneau, D.B. Tyler, J. Hadjigeorgiou, Y. Potvin // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2003(40). P. 95 - 111.
13. Pleshko M., Meskhi B., Pleshko M. A new method for calculating the combined anchor-concrete support of underground structures // MATEC Web of Conferences. 2018(170). 03023.
14. Shokarev D.A., Shaposhnik Yu.N., Konurin A.I. Introduction of the technology of fastening with reinforced combined fasteners during mining at the Artemevskaya mine // Bulletin of Kuzbass State Technical University. 2018. No. 2. pp. 21-29.
15. Kayumova A.N., Balek A.E., Kharisov T.F. Assessment of the safety of sinking of converged capital chamber workings in difficult mining, geological and geotechnical conditions // Mining information and Analytical bulletin (scientific and technical journal). 2022. No. 7. pp.131- 147.
16. Korchak P.A., Karasev M.A. Geomechanical substantiation of the formation of zones of brittle fracture of rocks in the vicinity of the interfaces of mining workings of the mines of JSC Apatit // Sustainable development of mountain territories. 2023. Vol. 15. No. 1 (55). pp. 67-80.
17. The choice of types and parameters of supports in the conditions of underground mining of apatite-nepheline deposits / V.S. Onuprienko, A.A. Eremenko, Yu.N. Shaposhnik, A.N. Kopytov // Bulletin of the Kuzbass State Technical University. 2023. No. 2. pp. 56-70.
18. Markin I. V. The stress-strain state of the support of vertical trunks in an uneven tectonic stress field // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal), 2023. No. 11, 20 p.
19. Markin I. V. Assessment of the bearing capacity of the support and the stability of the trunk in an uneven tectonic stress field // Gorny information and analytical bulletin (scientific and technical journal), 2024. No. 1. pp. 25-36.
