CC BY
19
Современные технологии. Механика и машиностроение
ш
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Моргунов А. П. Разработка и обеспечение прочности профильных неподвижных неразъемных соединений : автореф. дис. ... докт. техн. наук. - Омск, 1998 - 38 с.
2. Тимченко А. И. РК-профильные соединения и их применение в различных отраслях промышленности. // СТИН. - 1993. - №2. - С. 13-18.
3. Анурьев В. И. Справочник конструктора - машиностроителя: Т. 1. - 8-е изд., перераб. и доп. / Жестковой И. Н. - М. : Машиностроение, 2001. - 920 с. : ил.
4. Линейцев В. Ю. Контактная прочность, жесткость и точность разъемных неподвижных конических соединений в инструментальных системах : автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Иркутск, 2006 - 42 с.
УДК 622.235:622.831.232
Тюпин Владимир Николаевич,
д-р техн. наук, профессор, ЗабИЖТ, ИрГУПС
ВЛИЯНИЕ ВЗРЫВА НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГОРНОГО МАССИВА И ОБДЕЛКИ ПРИ СООРУЖЕНИИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ТОННЕЛЕЙ
V.N. Tyupin
EXPLOSION EFFECT ON THE MASSIF STRESS STATE DURING THE HANDLING OF MINING OUTPUT AND RAILWAY TUNNELING
Аннотация. Приведен механизм действия взрыва при проходке выработок и железнодорожных тоннелей в трещиноватых напряженных горных массивах. Рассмотрены зоны действия взрыва. Зона заколов обеспечивает снижение устойчивости массива на контуре выработки. Зона взрывных остаточных напряжений (служит «сжатой пружиной») принимает участие в обрушении породы на контуре выработки и разрушении обделки тоннеля. Для снижения вредного влияния взрыва необходимо принять специальную технологию или проходить выработки и тоннели механическим способом.
Ключевые слова: действие взрыва, напряженно-деформированное состояние, тоннель.
Abstract. The mechanism of explosion action on the crumbling stressed mine massifs during the handling of mining output and railway tunneling is presented. The areas of explosion action are considered. The driving area provides the decreasing of massif stability on the working contour. The area of explosive residual stresses (serves as «compressed spring») takes part in the rock caving on the working contour and in the tunnel lining destruction. It is necessary to adopt a special technology or drive a working and tunneling mechanically to decrease a harmful effect of explosion.
Keywords: blast effect, intense-deformed condition, tunnel.
Сооружение обделок железнодорожных тоннелей является весьма трудоемким и дорогостоящим процессом. В работах [1, 2] описываются принципы строительства железобетонных обделок в железнодорожных тоннелях. Расчеты обделок проводились на основании положений строительной механики с учетом горного и гидростатического давления, сейсмического действия землетрясений и особенностей возведения обделок. Воздействие на обделку тоннеля, приводящее к ее разрушению, в [1] систематизировано на три категории: транспортные нагрузки, механические и физико-химические воздействия горной геомеханики, обводненность тоннеля.
Горная геомеханика, а точнее напряженно-деформированное состояние (НДС) массива горных пород вблизи проводимой выработки, существенно влияет на устойчивость обнажений массива. НДС не нарушенного горными работами массива определяется гравитационными и тектоническими силами [3]. При проведении выработок в неоднородном горном массиве вблизи обнажений возникают зоны концентрации напряжений [4]. Помимо этого на НДС горного массива и обделки железнодорожного тоннеля влияют взрывные работы.
Для оценки влияния действия взрыва на НДС трещиноватого массива в условиях подземных горных работ ОАО «Приаргунское горнохимическое объединение» (ППГХО) были проведены несколько серий экспериментальных иссле-
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
дований. Исследования проводились на глубине 630...690 м от поверхности земли в горных выработках диаметром 3.4 м с использованием приборов акустической эмиссии (ЗП-5), сейсмических приборов (ПОСВ) и ультразвуковых приборов. Состояние горного массива устанавливалось до и после взрывания зарядов ВВ.
Проведенные экспериментальные исследования по деформированию трещиноватого массива взрывом позволили разработать механизм формирования зон заколов и остаточных напряжений в трещиноватом массиве при взрыве заряда ВВ параллельного открытой поверхности (рис. 1).
Под действием давления продуктов детонации (ПД) трещиноватый массив начинает смещаться во все стороны от взрываемых зарядов ВВ, что сопровождается дроблением отдельностей в зоне 3, деформациями и трением на берегах естественных трещин, а также упругими деформациями отдельностей в зонах 4 и 5. Движение части массива 2 в сторону выработанного пространства 1 сопровождается выбросом отдельностей.
После падения давления в зарядных полостях реакция упруго деформированных взрывом отдельностей и горное давление в зонах 3 и 4 приводят к смещению массива в сторону пространства 1, что сопровождается образованием заколов. Возвращению упруго деформированных отдель-ностей в зоне 5 в первоначальное НДС до взрыва препятствуют силы трения на берегах естественных трещин, создаваемые горным давлением.
Массив за пределами зоны заколов как бы «запрессовывается», и его напряженное состояние в зоне 5 увеличивается.
Таким образом, за зоной дробления отдель-ностей в трещиноватом массиве находится зона заколов 4 с раскрытыми естественными трещинами и зона взрывных остаточных напряжений 5 с увеличенным напряженным состоянием отдель-ностей массива. Проведение следующего цикла буровзрывных работ обеспечивает превышение сил трения и разгрузку массива в зоне 5 за счет сейсмического действия взрыва, в результате чего максимум напряжений смещается вглубь массива, а напряжения в зоне максимума уменьшаются (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость величины остаточных напряжений а (Па) от расстояния г(м) до борта выработки: 1 - вблизи
забоя выработки, 2 - на расстоянии от забоя, после разгрузки массива сейсмическим действием взрывов на проходке
3 4 5 6
Рис. 1. Развитие процесса деформирования трещиноватого массива взрывом во времени: а - до взрыва, б - во время взрыва, в - после взрыва, г - после сейсмического воздействия очередного взрыва. 1 - выработанное пространство, 2, 3, 4, 5 - соответсвенно зоны выброса, дробления, заколов, остаточных напряжений, 6 - зона естественного состояния массива
Современные технологии. Механика и машиностроение
1 -V dR
■3 1
= Л Dpjd3C (1 8 гКФ I
ш
Величина сжимающих напряжений в массиве при проведении способом БВР одиночной выработки в условиях горного давления, разработанная на основе изложенного механизма дана в формуле (1).
o(r) = 2Ep lV 5r ¿sin2 0,, при 0 < r < R3,
м, при de = 0,4 м de = 1,0 м, Ш = 0,5-1,0 м.
Ш=1-2
м,
при
-иУ\К К NК +
Ь ^ 1 -у) п1 1( ) от (1) +Р(1 -/), при г > Я3, где г - текущее расстояние от контура выработки вглубь массива; Л3 - расстояние от контура выработки до максимума в зоне остаточных напряжений на любом удалении от забоя; И«, - расстояние от контура выработки до максимума в зоне остаточных напряжений вблизи забоя выработки; Кс -показатель, учитывающий сейсмическое действие взрыва; О, рв, ^ - скорость детонации, плотность и диаметр заряда ВВ; Е , су,/и - модуль разгрузки, скорость продольной волны, коэффициент Пуассона отдельности массива, коэффициент трения между отдельностями, соответственно;
3, , к ,Д Ф - раскрытие трещин, размер отдельности, количество систем трещин, угол наклона /й системы трещин к обнажению, показатель тре-щиноватости; Кп±, К± (N),Кот - показатели, учитывающие взаимодействие зарядов ВВ и открытую поверхность; Р - величина горного давления в ненарушенном массиве.
Многочисленные промышленные экспериментальные исследования, проведенные на рудниках № 1, 2, 4, 6, 8 ОАО «ППГХО», позволили установить зависимости радиуса зоны заколов (расстояние от контура выработки до дальнего закола, рис. 3). Исследования проводились по обнажению горного массива после врезки выработки в борт, перпендикулярно оси существующей выработки. Типовые параметры буровзрывных работ при проходке выработок на рудниках ОАО ППГХО: диаметр шпуров 42 мм, ВВ - аммонал 200, взрывание - электроогневое.
Промышленные экспериментальные исследования по определению зависимости радиуса зоны остаточных напряжений от среднего размера отдельности в массиве проводились методом кернов, параллельных скважин, методом разгрузки и ультразвуковым методом. Результаты приведены на рис. 4. Анализ рис. 3 и 4 показывает, что ширина (Ш) зоны остаточных напряжений (Ш=Е0ст-Я03) при размере отдельности = 0,1 м, составляет 2-3
Рис. 3. Зависимость расстояния между контуром выработки и границей зоны заколов (Яоз) от размера естественных отдельностей (й„)
Рис. 4. Зависимость расстояния между контуром выработки и границей зоны остаточных напряжений (Яост) от размера отдельности( йе)
Максимальное значение величины остаточных напряжений в горном массиве очевидно находится на расстоянии Я03. Определим, например для Северо-Муйского тоннеля, максимальную величину взрывных остаточных напряжений и величину горного давления в ненарушенном массиве. Величина а(г) определена по второй части формулы (1).
Средняя величина горного давления определяется в зависимости от глубины расположения тоннеля, объемной массы вышележащих пород и угла внутреннего трения массива (коэффициента трения между отдельностями массива и) по формулам [5]. Данные приведены в табл. 1. Численные значения параметров в формуле (1): О = 4,2 • 103 м/с, р = 0,8 • 103 кг/м3, = 0,04 м,
с = 4 -103 м/с, у = 0,25, Кп±= 2, К±( N ) = 2, Кот = 0,7, Кс2 = 1,33 . Остальные параметры приведены в табл. 1.
Таблица 1
Расчетные значения максимальной величины остаточных напряжений и средней величины горного давления
в Северо-Муйском тоннеле на глубине 500 м
de, м Ф, м Рср, 106, Па Ro3, м o(r) , 106, Па
< 0,05 > 12 < 0,2 > 13,3 > 2,0 <19,6
0,05-0,15 12-10 0,2-0,3 13,3-15 2,0-1,1 19,6-30,6
0,15-0,40 10-8 0,3-0,45 15-18 1,1-0,7 30,6-48,2
0,40-1,0 8-6 0,45-0,6 18-22 0,7-0,6 48,2-69,3
> 1,0 < 6 > 0,6 > 22 <0,6 > 69,3
Примечание: - средний размер отдельности, Ф - показатель трещиноватости, Ц - коэффициент трения по граням отдельностей, Рср - величина среднего горного давления (среднеарифметическое между вертикальной и двумя горизонтальными компонентами).
Анализ табл. 1 показывает, что величина остаточных напряжений после проведения взрывных работ на дальней границе зоны заколов (в зоне максимума остаточных напряжений) в 1,5-3 раза превышает среднюю величину горного давления в глубине массива. Со временем, за счет релаксации напряжений, за счет сейсмического действия землетрясений и вибродинамического воздействия подвижного состава величина максимума остаточных напряжений уменьшается и смещается вглубь массива. При этом величина напряжений на контуре выработки или обделки железнодорожного тоннеля увеличивается и может достигать 0,3... 0,5 от напряжения в максимуме, то есть 6,0.35,0 МПа.
Это приводит к нарушению обделки, так как величина прочности неповрежденного бетона составляет 40,5 МПа. Явление интенсивного нарушения обделки железнодорожного тоннеля обнаружено в Северо-Муйском тоннеле [2]. Анализ схемы трещин в тоннеле показал, что в менее трещиноватых породах интенсивность нарушения обделки более существенна, что соответствует табл. 1. Кроме того, анализ рис. 6.13 в [2] показал, что преимущественными являются горизонтальные и слабонаклонные системы трещин в обделке тоннеля. Это с точки зрения неоднородных горных массивов указывает на наличие субгоризонтальных напряжений - взрывных остаточных напряжений, участвующих в деформировании и разрушении обделки тоннелей.
Таким образом, в настоящей работе доказано появление эффекта формирования зоны взрывных остаточных напряжений в горном массиве. В последующем напряженные породы зоны остаточных напряжений деформируют породы зоны заколов и железобетонную обделку, принимая участие в ее разрушении. Уровень напряжений на контуре выработки превышает среднее горное давление в 1,2-1,5 раза и сопоставим с пределом
прочности железобетонной обделки на сжатие 10.40 МПа. Это говорит о существенном влиянии пород зоны остаточных напряжений и зоны заколов на устойчивость обнажений и железобетонной обделки тоннеля.
Для снижения влияния взрывных работ при проходке тоннелей на НДС законтурного массива разработана специальная технология ведения БВР с применением контурного взрывания. Наилучшим способом проходки тоннелей и выработок можно считать механический - с помощью горнопроходческих комплексов, комбайнов, тоннеле-проходческих машин, которые не создают неустойчивых зон заколов и активных зон взрывных остаточных напряжений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Быкова Н.М. Особенности работы Северо-Муйского тоннеля в условиях активной геодинамики. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - ИрГУПС, 2005, №4(8). - С.169-174.
2. Быкова Н.М., Шерман С.И. Северо-Муйский тоннель из XX в XXI век. - Новосибирск : Наука,- 2007. - 185 с.
3. Тектонические напряжения в земной коре и устойчивость горных выработок./ Авт. А.И. Турчанинов, Г.А. Марков, В.И. Иванов, А.А. Козырев. - Л. : Наука, 1978. - 255с.
4. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механические процессы в породных массивах. - М. : Недра, 1986. - 270с.
5. Тюпин В.Н. Повышение эффективности геотехнологии с использованием энергии взрыва при деформировании трещиноватых напряженных массивов горных пород. - Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. - М. : ВНИПИПТ. - 2002. - 267 с.
