Устойчивость подземных сооружений в зоне тектонических нарушений Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

------------------------------------------ © В.Е. Боликов, С.А. Рыбак,

2004

УДК 622.83

В.Е. Боликов, С.А. Рыбак

УСТОЙЧИВОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ В ЗОНЕ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ

Семинар № 14

ш t ри строительстве и эксплуатации под-

-И.-1 земных сооружений, расположенных в зоне тектонических нарушений, возникают проблемы с обеспечением их устойчивости.

Институтом горного дела УрО РАН выполнены комплексные исследования по установлению основных причин возникновения аварийных ситуаций в подобных условиях на различных видах сооружений на Гороблагодатском, Северо-песчанском и Донском хромитовом месторождениях и в городе Сургуте.

Гороблагодатское месторождение отрабатывается шахтой Южная и вскрыто тремя стволами: клетевой, скипо-клетевой и вентиляционный. Клетевой ствол диаметром в свету 8,0 м закреплен монолитным бетоном толщиной 300 мм. и пройден до глубины -480 м (750 м от поверхности). Проектом реконструкции шахты предусматривалась углубка скипо-клетевого ствола, закрепленного монолитным бетоном, с отметки -270 до -480 м.

Для проходки ствола было предусмотрено бурение передовой скважины диаметром 1,2 мс помощью комбайна 2КВ-2. При бурении скважины с гор.—480 м был встречен крупный тектонический разлом, мощностью 40-50 м, падением около 500 заполненный разрушенными и обводненными породами. После бурения скважины произошел вывал массы пород объемом 500-600 м3 через скважину. В связи со сложившейся ситуацией было решено пересмотреть проект уг-лубки скипо-клетевого ствола.

Первоначальное напряженное состояние массива пород Гороблагодатского месторождения на поверхности, характеризуется большой анизотропией поля напряжений и составляет: а1 = -17,9+3,4 МПа; а2 = -5,3±1,4 МПа;

<г3 = 0: а = 1880.

Напряженное состояние массива пород на глубине 600 м (-320 м) с учетом влияния очистных работ составляет: aj = -68,812,7 МПа; а2= -36,3±2Д МПа; а3= -16,0 МПа: a = 1240.

Как видно из представленных данных, анизотропия поля напряжений для данного месторождения сохраняется с глубиной. Все данные по напряженному состоянию месторождения получены Институтом горного дела по результатам экспериментальных измерений и расчетов.

В первом варианте расчет параметров крепи скипо-клетевого ствола производился по СНиП 11-94-80 «Подземные горные выработки». Естественно, что для таких условий данный документ не подходит т.к. разлом был встречен при проходке скважин, а в целом ствол проходился по скальному и прочному массиву, представленному сиенитовыми породами. Для расчета крепи участка ствола протяженностью 60м, находящегося в разломе, была использована специальная «Инструкция для расчета параметров крепи ствола в тектонически-активных районах», разработанная Институтом горного дела УрО РАН и Тульским государственным университетом. Согласно расчетов, для крепления использовались чугунные тюбинги типа 85Н и закрепное пространство из монолитного бетона класса В-30 толщиной 300 мм. Ствол был пройден с данным видом крепи по всей разломной зоне. Учитывая сложные горно-геологическиее условия, в процессе проходки производились измерения по трем измерительным станциям. Результаты измерений показали, что фактически напряжения в чугунных тюбингах оказались ниже допустимых величин для данного вида крепи.

Таким образом, промышленный эксперимент подтвердил необходимость использования разработанного нормативного документа для расчета параметров крепи в тектонически-активных районах.

На Северо-Песчанском месторождении возникли деформации в центральной группе стволов после пяти лет эксплуатации месторождений. Основной причиной деформаций крепи стволов явилось возникшие подвижки по тектоническому нарушению под воздействием вторичного ПОЛЯ напряжений, вызванного образованием вырабо-

тайного пространства. Особенно существенны нарушения были в Центральном вентиляционном стволе, пройденном в районе пересечения тектонического нарушения и зоны дробления.

Главные нормальные напряжения в горизонтальной плоскости на земной поверхности были определены экспериментально на больших базах с использованием деформаций земной поверхности, вызванных образованием провала круглой формы, и имели следующие величины:

01 = -1,5+0,2 МПа; а2= -9,6±0.6 МПа; а3= 0: а = 960±1,50.

Максимальные сжимающие напряжения (а2) направлены меридионально.

Аналитическими расчетами установлено, что при круглой форме провала, имевшей место в начальной стадии выхода обрушения на поверхность тангенсальные напряжения на поверхности вблизи контура провала достигли -27,3 МПа, в то время, как радиальные напряжения на контуре равны нулю, а с углублением в массив достигают первоначальной величины, т.е. 1,5 МПа. Образовавшаяся вблизи главных стволов шахты зона с ярко выраженной анизотропией напряжений способствовала развитию зоны обрушения в крест простирания месторождения и превращению ее в эллипс, вытянутой по направлению минимального сжатия в массиве. Это вело к дальнейшему росту концентрации тангенциальных напряжений в районе Центральных стволов до -35 МПа и к развитию деформаций в их крепи. В связи с этим, по рекомендациям Института было принято решение об интенсификации развития очистных работ по направлению простирания месторождения с тем, чтобы развернуть эллипс зоны обрушения по линии действия максимальных сжимающих напряжений. По данным расчетов в этом случае величины в районе центральных стволов снизятся с -35 до -15 МПа. Практика отработки Северопесчанского месторождения подтвердила результаты расчетов. Крепь стволов была отремонтирована, и они эксплуатируются в настоящее время. Деформации по тектоническому нарушению приостановились.

Таким образом, промышленный эксперимент подтвердил, что направлением фронта ведения очистных работ на месторождении можно управлять напряженно-деформирован-ным состоянием подземных сооружений, находящихся в сложных условиях в районе тектонических нарушений.

Более сложные условия с обеспечением устойчивости подземных сооружений возникли на Донском горно-обогатительном комбинате в Казахстане. Так, при проходке клетевого ствола

шахты «Десятилетия независимости Казахстана», произошла аварийная ситуация с обрушением крепи на протяжении 200 м. Ствол крепился монолитным бетоном толщиной 400мм в соответствии с расчетами по СНиП-11-94-80.

Восстановление разрушенной части ствола, и дальнейшая проходка до глубины 1100 м производились в соответствии с «Инструкцией по расчету крепи стволов в тектонически-активных районах», согласно которой была предусмотрена крепь из чугунных тюбингов типа 85Н с закреп-ным пространством из бетона класса В-25, толщиной 300 мм. Данная мощная крепь деформировалась при дальнейшей проходке ствола при пересечении крупного тектонического нарушения в районе сопряжения гор.-400 м (глубина 800 м от поверхности). Деформации тюбингов с образованием трещин произошли над сопряжением на высоту 10-12 м от кровли сопряжения, т.е. использование данной инструкции не обеспечило устойчивость крепи при дальнейшей проходке.

Кроме того, на данной шахте происходили разрушения крепи и других подземных сооружений: дозаторной и насосной камер, скипо-клетевого ствола и дробильного комплекса. Необходимо отметить, что разрушение их происходило примерно в один и тот же период года сентябрь-ноябрь месяцы на протяжении 4 лет, начиная от первого разрушения крепи клетевого ствола.

Геофизическими исследованиями напряженно-деформированного состояния массива на шахте установлено, что он восприимчив к воздействию технологических (взрывы) и природных явлений и колебания от этих возбуждающих факторов, т.е. упругие волны не затухают длительный период. Под природным явлением понимаются внешние динамические возбудители, связанные с возможными подвижками по тектоническим нарушениям, которые возникают в определенный период времени.

Основываясь на опыте строительства первой очереди шахты, при выборе места под промпло-щадку скипо-клетевого и закладочного стволов второй очереди было выполнено динамическое районирование. Геодинамическое районирование включает в себя оценку всех тектонических нарушений, расположенных в пределах промпло-щадки, на стабильность. По специально разработанной методике выявлялись крупные тектонические блоки, ограниченные стабильными тектоническими нарушениями на период проходки ствола и эксплуатации месторождения. Для расположения двух стволов глубиной 1100 м был выбран

тектонический блок с размерами 1,7*2,5 км, внутри которого запроектированы два ствола.

В настоящее время с освоением геодезической спутниковой системы GPS Институтом горного дела выполнена диагностика геодинамиче-ской активности массива пород в районе промп-лощадки шахты с целью прогноза состояния устойчивости крепи существующих и проектируемых стволов. По результатам геодинамических исследований произведена оценка состояния крепи существующих и проектируемых стволов шахты.

Институтом горного дела были выполнены исследования по установлению причин разрушения подземных канализационных коллекторов и разработке мер по обеспечению их устойчивости в г. Сургуте.

В задачу исследования входило выявления причин разрушения и развития аварийных ситуаций на подземных канализационных коллекторах г. Сургута, где образовалось более 20 аварийных участков. Наряду с нарушениями технологического режима удаления сточных вод, аварии на коллекторе сопряжены с возникновением провалов на земной поверхности, которые в свою очередь, создают опасность для дорожного движения, окружающих зданий и сооружений.

Основу исследований составляли результаты геофизического зондирования массива горных пород на аварийных участках, методами электрометрии, результаты непрерывного геодезического мониторинга смещений земной поверхности методами спутниковой геодезии, а также материалы непосредственного обследования коллекторов на аварийных участках и состояния других объектов на прилегающих территориях.

Анализ результатов геодезического мониторинга за смещениями и деформациями, по одному из аварийных участков, расположенном вдоль ул. Майской г. Сургута позволил сформулировать исходные параметры смещений для оценки условий работы крепи канализационного коллектора:

Максимальные деформации крепи:

Горизонтальные: растяжение 3Д5*10'4;

Сжатие -5,6* 10-4;

Вертикальные: увеличение наклона 9,76*10-4;

Уменьшение наклона -12,1*10-4;

Приведенные результаты геодезических исследований и визуальное обследование характера разрушения крепи самого коллектора, и деформирования жилых домов на прилегающих территориях приводят к единственному и окончательному выводу, что конструкция канализационного коллектора в разломных зонах работает в условиях воздействия на него переменных динамических низкочастотных нагрузок, вызванных динамическими смещениями и деформациями. Естественно, что конструкция крепи коллектора не рассчитывалась на такие нагрузки, поскольку они на период проектирования коллектора были вообще никому неизвестны. Следовательно, изначально в этих условиях крепь коллектора была обречена на разрушение.

Выполненный комплекс исследований по устойчивости подземных сооружений в зоне тектонических нарушений позволяет сделать следующие выводы:

1. До начала проектирования и строительства подземных и наземных сооружений необходимо проведение диагностики геомеха-нической активности площади под строительство объекта. По результатам диагностики по возможности размещать данные сооружения за зоной влияния активных тектонических нарушений.

2. Расчет параметров крепи подземных сооружений, в зоне тектонических нарушений необходимо производить по специальным нормативным документам, учитывающим тектонические особенности месторождения и дополнительное воздействие геодинамических смещений и деформаций.

— Коротко об авторах --------------------------------------------------------

Боликов В.Е.— профессор, доктор технических наук, главный научный сотрудник, ИГД УрО РАН. Рыбак С.А. - младший научный сотрудник, ИГД УрО РАН.

УДК 624.139

Ю.А. Хохолов, Е.К. Романова

© Ю.А. Хохолов, Е.К. Романова, 2004