УДК 622.261:622.363
В. А. СОЛОВЬЕВ, В. Н. АПТУКОВ ()
Е. К. КОТЛЯР ()
ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ В СОЛЯНЫХ ПОРОДАХ
Традиционным способом крепления шахтных стволов в соляных породах является применение монолитной бетонной или тюбинговой крепи. Как показывает опыт эксплуатации шахтных стволов с течением времени в результате горного давления и реологических свойств соляных пород происходит нарастание нагрузки на крепь, что приводит к ее разрушению.
Особенно интенсивно горное давление в соляных породах проявляется на больших глубинах, увеличенных диаметрах стволов и при значительных площадях обнажения породного массива, а также на сопряжениях шахтных стволов с дозаторными камерами и подводящими выработками.
Известны и применяются разные способы охраны шахтных стволов и их сопряжений от разрушения под действием горного давления с использованием разгрузочных щелей и скважин, специальных полостей и распорных перегородок в горных выработках [1 - 6]. Однако ни один из упомянутых способов не отвечает в полной мере требованиям горного производства по причине кратковременного положительного эффекта и недостаточного воздействия на горный массив или по причине трудоемкости его исполнения.
Горнякам известен основополагающий принцип поддержания горных выработок – крепь должна уступать горному давлению и деформироваться при достижении критических нагрузок не теряя при этом несущей способности. Этот принцип особенно актуален при поддержании горных выработок в соляных породах обладающих ползучестью. Данный способ успешно применяется при сооружении горизонтальных горных выработок. В качестве податливого слоя используют податливые костры, стойки трения или трубчатые элементы, располагаемые между породным массивом и рамной жесткой крепью [8].
В качестве критерия для оценки категорий устойчивости соляных пород вокруг горной выработки приняты [7-10]:
- смещения породного контура вокруг незакрепленной горной выработки за весь срок ее службы
- период весьма устойчивого состояния незакрепленной выработки.
Соляные породы Верхнекамского калийного месторождения согласно СНиП относятся к I и II категориям устойчивости, что соответствует весьма устойчивым и средней устойчивости со смещением породного контура выработок за период эксплуатации, соответственно, до 200 и 300 мм [7].
В целом идея применения двухслойной крепи с податливым слоем в солевых породах не нова. Однако, использование податливого заполнителя, располагаемого между породным массивом и крепью ствола, может привести к появлению неоднородных по толщине полостей, заполненных податливым материалом, и, как следствие, к неравномерным нагрузкам в бетонной крепи ствола, преждевременному ее разрушению.
Проблема неравномерной нагрузки на крепь может быть решена за счет строгого соблюдения толщины податливого слоя, например, использования одинакового количества стандартных пластин из податливого материала располагаемых равномерно как по длине, так и по окружности ствола, с последующим заполнением пустот бетонной смесью.
В этом случае, бетонная крепь ствола как бы отделяется от породного массива податливым слоем, нагрузка на крепь длительное время остается незначительной по величине, касательные напряжения отсутствуют. В этой связи большое значение имеет высота звена крепи и конструкция опорного венца.
Предпринимавшиеся ранее попытки придания податливости монолитной бетонной крепи с использованием разрушаемого материала в виде газобетонных блоков с прочностью около 2,5 МПа (250 т/м2) не обеспечивали требуемую податливость и не защищали монолитную бетонную крепь от разрушения [5].
Авторами выбран хорошо сжимаемый (без разрушения) материал – пенополистирол, выпускаемый промышленностью в виде плит и широко используемый в гражданском строительстве подземных сооружений [12].
Исследование механических свойств пенополистирола марки 35 ПЕНОПЛЭКС [13] на сжатие производились на испытательной машине Zwick/Roell Z-250. Испытания производились для одной, двух и трех (положенных друг на друга) пластин пенополистирола, размерами 100 х 100 х 48 мм для двух постоянных скоростей перемещения траверсы (V1 = 1 мм/мин и V2 = 10 мм/мин). Результаты испытаний приведены на рис. 1.
Рис. 1. Графики зависимости «напряжение-деформация» для пенополистирола
Линиями различного цвета показаны диаграммы при испытании вышеуказанных вариантов, все они практически совпадают, что дает основание утверждать о слабом влиянии скорости перемещения траверсы испытательной машины и количества пластин на сопротивление пенополистирола.
Из диаграммы «σ - ε» видно, что при деформация сжатия до 60 % сопротивление пенополистирола сжатию практически постоянно и составляет 0,25–0,3 МПа. дальнейшее уплотнение ведет к повышению сопротивления до 0,8–0,9 МПа (80 %), 2–2,5 МПа (90 %), 6–7 МПа (95 %).
дополнительно были проведены испытания на кратковременную релаксацию напряжений при достигнутом уровне деформаций сжатия 20 % и 80 %. Опыты показали, что релаксация напряжений в течение 20 мин при уровне деформаций 20 % составляет около 38 %, а при уровне деформаций 80 % – около 44 %. Поскольку реальное нагружение податливого слоя в закрепном пространстве является достаточно длительным, то обнаруженная в опытах кратковременная релаксация напряжений ведет к дополнительному снижению жесткости (сопротивляемости) податливого слоя.
Методом математического моделирования с применением конечно-элементного программного комплекса ANSYS-11.0 выполнено исследование взаимодействия бетонной крепи с податливым слоем и породным солевым массивом. Исследования проводились с построением двухмерных (2D) и пространственных (3D) моделей.
Исследования взаимодействия крепи ствола и сопряжений с окружающим породным массивом производились для элементов:
- цилиндрической части бетонного ствола при наличии и отсутствии податливого слоя разной толщины и, в том числе, неравномерной толщины в пределах поперечного сечения;
- опорных венцов, их конструкции и шага их установки;
- узлов сопряжения стволов с подходными выработками и загрузочными устройствами скипов;
- разновысотного расположения дозаторных камер;
- узлов сопряжений общешахтных бункеров с конвейерными штреками.
Исследование взаимодействия цилиндрической части бетонного ствола с податливым слоем и породным массивом было осуществлено в рамках 2D-моделей в горизонтальной плоскости. На рисунке 2 показаны поля интенсивности неупругих деформаций в окрестности бетонной крепи ствола после 8,5 лет эксплуатации: максимальные значения (7,8–11,3 %) достигаются в податливом слое (области желто-красного цвета), деформации в породном массиве вблизи ствола достигают 2,5–3,8 %.
Рис. 2. Фрагмент расчетной схемы 2D-модели горизонтального сечения ствола с податливым слоем (изополосы интенсивности неупругих деформаций)
В результате исследований установлена высокая эффективность применения податливого слоя из пенополистирольных плит в том числе:
- податливый слой многократно уменьшает давление породного массива на бетонную крепь ствола и окружные напряжения в крепи ствола (рис. 3 и 4);
- неравномерная толщина бетона цилиндрической части ствола приводит к относительно небольшому увеличению максимальных напряжений (10–15%);
- неравномерная толщина податливого слоя приводит к весьма значительному увеличению максимальных напряжений (2,5–3 раза);
- для всех рассмотренных вариантов крепи (постоянная или переменная толщина стенки бетона и/или податливого слоя) применение податливого слоя значительно снижает нагрузки на крепь, передаваемые от породного массива к бетонной стенке.
ПС – податливый слой
Рис. 3. Давление на внешней поверхности бетонной крепи ствола
Рис. 4. Окружные напряжения в крепи ствола
Разработан инженерный метод определения шага установки и параметров опорных венцов, исходя из положения, что податливый слой не препятствует сползанию бетонной крепи ствола под действием собственного веса.
Выражение для оценки параметров безопасной конструкции бетонной крепи ствола имеет вид
,
где pm – удельное давление от веса звена на породный массив, МПа;
P – суммарный вес цилиндрической часто звена бетонной крепи с опорным венцом, т;
R1 и R2 – радиусы, определяющие границы зоны контакта опорного венца с солевым массивом, м;
Сдл – сцепление при длительной прочности каменной соли, МПа;
N – коэффициент запаса (для долгосрочных конструкций n = 3,0–5,0).
Формула получена на основе удовлетворения условия длительной прочности области контакта породного (соляного) массива, на которую происходит опирание опорного венца, с учетом веса звена и самого опорного венца шахтного ствола.
В качестве примера для одного из шахтных стволов на Верхнекамском месторождении диаметром 8,0 м при значениях определяющих параметров вруба под опорный венец R1 = 4,6 м и R2 = 5,5 м на рис. 5 приводится зависимость контактного давления бетонного столба совместно с опорным венцом на соляной массив в зависимости от высоты звена. Горизонтальными и вертикальными линиями показаны предельные давления и значения высоты звена для сильвинита (
= 1,16 МПа, Н ≤ 28 м) и каменной соли (
= 2,28 МПа, Н ≤ 48 м) при коэффициенте запаса прочности n = 5.
Рис. 5. Пример расчетной зависимости контактного давления от высоты звена бетонного ствола
Технологическая схема возведения двухслойной крепи приведена на рис. 6.
1 – опорный венец; 2 – анкер временной крепи; 3 – передвижная опалубка;
4 – податливый слой; 5 – слой бетонной крепи; 6 – подвесной полок;
7 – погрузочная машина; 8 – бадья; 9 – деформационный шов;
Н – шаг установки венцов
Рис.6. Параллельная схема сооружения ствола в солевых породах
Двухслойная крепь с податливым слоем возводится в следующей последовательности. Первоначально монтируется нижний опорный венец с параметрами, в соответствии с приведенной выше формулой. Затем к породному массиву с использованием специальных крепежных анкеров прикрепляют пенополистирольные плиты на проектную толщину. После этого в пространство между слоем пенополистирола и опалубкой подается бетон.
Применение двухслойной крепи с податливым слоем из пенополистирола позволяет отказаться от применения дорогостоящей крепи из чугунных тюбингов. В настоящее время данный способ получил применение в проектах строительства ряда шахтных стволов на Верхнекамском месторождении калийных солей.
Следует отметить, что применение данного метода для конкретных горно-геологических условий требует детального анализа и проведения специальных расчетов с использованием программного комплекса ANSYS.
Библиографический список
, , Секунцов обеспечения устойчивости сопряжений шахтных стволов с примыкающими выработками в соленосных массивах горных пород// Горный журнал 2013. №7. С 53-56. , , Аптуков горных выработок в соляных породах.-Palmarium akademik publishing. 2013.-412 с. , , Звонарев вертикальных стволов, сооружаемых в породах, обладающих ползучестью// Шахтное строительство. 1983. №9. , , Парфенов аспекты устойчивости горных выработок на калийных руднике «Пийло»//Шахтное строительство. №8. , , Соловьев проблемы механики горных пород применительно к отработке алмазных месторождений Якутии.- Новосибирск: Наука. 2011.-223 с. Пат. 2405111 РФ. МПК Е21D11/14. Способ ремонта горных выработок в соляных породах/ , , ; заявитель и патентообладатель научно-исследовательский и проектный институт галургии»; З.№ 000/43/03; заявл. 08.09.3009; опубл. 27.11.2010,. Бюл. №33. СНИП II-94-80. Подземные горные выработки / Госстрой СССР.-М. : Стройиздат, 1982. Руководство по проектированию подземных выработок и расчету крепи / ВНИМИ, ВНИИОМГИС Минуглепрома СССРю-М.: Стройиздат, 1983. , Борисов задачи механики подземных сооружений: учеб. Пособие.-М.:Из-во МГГУ, 2001. , Константинова и обеспечение устойчивости капитальных горных выработок.-Екатеринбург: УрО РАН, 2003. , , Мишедченко вертикальных стволов шахт.-М.:Недра, 1978.- 301 с. , , Секунцов регламент по охране и креплению горных выработок на рудниках . , Пермь-Березники. 2013.-160 с. ТУ 5767-006-56925804-2007. Экструзионный пенополистирол «Пеноплекс».Сведения об авторах:
, зав. лабораторией геодинамической безопасности , д-р техн. наук, проф. ПНИПУ; e-mail: *****@***ru
, главный научный сотрудник , д-р техн. наук, проф. ПГНИУ;
, главный инженер .
