Аналитическое исследование способов повышения несущей способности монолитной бетонной крепи вертикальных стволов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

------------------------------------------------ © М. С. Плешко, 2008

УДК 622.25.(06)

М. С. Плешко

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МОНОЛИТНОЙ БЕТОННОЙ КРЕПИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ

Семинар № 4

Монолитной бетонной крепью в угольной промышленности России закреплено около 98 % вертикальных стволов, в горнорудной - 95 %, в горно-химической - 60 %. Аналогичная ситуация сложилась и в зарубежной практике. Широкое применение монолитного бетона для крепления стволов обусловлено рядом известных достоинств: высокой степенью механизации, долговечностью, огнестойкостью, сравнительно низкой стоимостью и др.

Оценивая тенденции совершенствования способов крепления и поддержания современных вертикальных стволов, можно утверждать, что в качестве основного вида крепи продолжает рассматриваться монолитный бетон. Об этом в частности свидетельствуют данные по ряду глубоких вертикальных стволов, проектирование и строительство которых осуществлялось в последние 10 лет (табл. 1).

В то же время, учитывая постоянное увеличение глубины стволов и ухудшение горно-геологических условий необходимо дальнейшее повышение технико-экономической эффективности монолитной бетонной крепи и приближение ее параметров к тюбинговым крепям.

Основной технической характеристикой любой крепи является ее несущая способность, которую можно увеличить различными способами. Анализ

современных исследовании позволяет выделить три наиболее распространенных: увеличение толщины крепи, повышение прочностных характеристик бетона, применение комбинированных анкерно-бетонных крепей.

Выполним аналитический анализ эффективности этих способов путем определения области применения крепи с различными параметрами на основании расчета по схеме контактного взаимодействия крепи и массива.

Радиальные напряжения на контакте монолитной бетонной крепи с массивом (нагрузка на крепь) в соответствие с [1] представим в виде

2-^-а • у • Н

Ро =■

2 +

с2 (і -1) + 2 ’ о1 • с2 -1

(1)

где Н - глубина ствола; у - средний объемный вес вышележащей толщи пород; 2 - коэффициент бокового распора пород, определяемый из выражения

2= у° ■

1 -V ’

где у0 - коэффициент поперечной деформации пород; 00 - модуль сдвига пород массива; 01 - модуль сдвига бетона крепи; с1 - коэффициент, характеризующий толщину монолитной бетонной крепи

№ Название стола Основной вид Диаметр, Глубина,

п/п и горнодобывающего предприятия крепи м м

1 «Северо-восточный» рудника «Дара- Монолитный бетон 6,0 1025

сунский»

Шахта «Обуховская №1»

- главный 7,0 904

2 Монолитный бетон 922,2

- вспомогательный 7,0

- вентиляционный 6,0 919

Вентиляционно-вспомогательный Мо о н о л тн й б ето о ,

3 железобетонные тю- 8,0 1089,5

рудника «Удачный» АК «Алроса» бинги

4 Рудоподъемный рудника «МИР» АК Монолитный бетон, 8,0 1057

«Алроса» Шахта им. А.Ф. Засядько, Украина: чугунные тюбинги

5 - воздухоподающий №2 Монолитный бетон 7,0 1265

- вентиляционный №2 6,5 1022

- вентиляционный №3 7,0 1222

Вентиляционный ВС-10, рудник «Ска-

6 листый» ОАО ГМК «Норильский ни-

Монолитный бетон 9,0 2054

кель»

с = 7"’

'2

г2, VI - соответственно внутренний и наружный радиусы крепи ствола, м; х -коэффициент вида напряженного состояния, при плоской деформации

X = 3 - 4 ,

v1 - коэффициент поперечной деформации бетона крепи;

При наличии вокруг монолитной бетонной крепи упрочненного анкерами слоя пород, рассматриваемого как ква-зиоднородный, нагрузка на крепь согласно [2] определяется по формуле ( с \ А + ра"

Ро =( - 2 'р2В(С3 - 1) + ре + А(1 -С2) Х

х2а уИ ; (2)

где А = (1 -2У2)-(Сз -1) ;

В = (1 - 2У1 + С2 )

С = а2 (1 - С2) + а1В ; Сз =

г

V '1 У

2

С2 =

г

V '1 У

а1 = (1 - 2у2 ) • С3 + 1 ;

а2 — 1 — 2 + С3 ,

здесь в - коэффициент упрочнения пород анкерами; г2 - внешний радиус породного кольца, упрочненного анкерами; V2 - коэффициент поперечной деформации упрочненного анкерами породного слоя.

При проведении расчетов приняты следующие исходные данные: средний объемный вес вышележащей толщи пород, у = 0,025 МН/м3; коэффициент поперечной деформации пород, V) = 0,3; коэффициент, учитывающий отставание крепи от забоя, а = 0,8 (совмещенная технологическая схема); радиус ствола в свету, г2 =3,0 м.

И, м 1600 • 1500 -1400 •

1200 -1100 -1000 -900 -

600 -500 -400 -300 -200 -

взо

Рис. 1. Область применения монолитной бетонной крепи толщиной 250 мм при классе бетона В15 и В 30

В15

СТт

(3)

а>,

При расчете комбинированной крепи приняты: плотность установки анкеров, иа=1 анк/м2; несущая способность анкера 100 кН; коэффициент в = 1,9, коэффициент V2= Vo.

Вариации подвергались: класс бетона крепи в диапазоне В15 - В30, толщина монолитной бетонной крепи ( = 250 -500 мм), длина анкеров (I = 0,5 -2,0 м.).

На основании полученных по формулам (1) и (2) значений нагрузок на крепь рассчитывались средние тангенциальные напряжения в бетоне крепи, и оценивалась ее несущая способность в соответствии с выражением:

Н, м 1100

1000

900

500

400

300

у

/г; /■

„у'. у

У

у’*' У

где Яь - расчетное сопротивление бетона одноосному сжатию.

В результате расчетов определялась область применения крепи в виде максимально возможной глубины ствола Н, при которой условие (3) выполнялось, в зависимости от модуля сдвига вмещающих пород 00. Графическая интерпретация полученных результатов при граничных значениях варьируемых параметров представлена на рис. 1-3.

По рис. 1-3 можно выполнить сравнительную оценку эффективности повышения несущей способности бетонной крепи класса В15, толщиной 250 мм (базовый вариант) путем увеличения в два раза класса бетона, толщины крепи, или установки анкерной крепи длиной 2 м.

Необходимо отметить, что сметная себестоимость монолитной бетонной крепи толщиной 250 мм в комбинации с анкерами длиной 2 м приблизительно соответствует себестоимости монолитной бетонной крепи толщиной 500 мм.

Эффективность повышения несущей способности крепи оценивалась с помощью параметров:

- увеличение класса бето-

1=500*.

ґ=250л

10 11 12 бо, МПа 103

Рис. 2. Область применения монолитной бетонной крепи класса В 15 толщиной 250 мм и 500

мм

II, м

inp

1400

1

1000

7«

400

300

о

1=2.0.t

1=0,5 j

Рис. 3. Область применения монолитной бетонной крепи класса В15 толщиной 250 мм в сочетании с анкерами при длине анкеров 0,5 и 2,0 м

же КЛасса; Нтах. анк

мальная область применения базового варианта крепи в комбинации с анкерами длиной 2 м.

10 11 Go, МПа

на

К _ . max.В

H

- увеличение толщины крепи

H

К _ max.t ;

t “ h ’

max. баз

- анкерное упрочнение

К _

H

H

max. баз

где Нтахбаз - максимальная глубина применения базового варианта крепи; НтахВ - максимальная глубина применения крепи класса В30 той же толщины; Hmaxi - максимальная область применения крепи толщиной 500 мм того

к

19

1.7

.1.6

.1.5

■1.4

13

1.2

11

щ

\ \

ю \

%

\

V ■

/ /\ V

Канк

На рис. 4 представлены графики зависимости параметров Кв, К и Канк от модуля сдвига пород вмещающего массива

Из рис. 4 следует вывод, что при проектировании мер по повышению несущей способности монолитной бетонной крепи вертикальных стволов в первую очередь должна рассматриваться возможность увеличения класса бетона. Увеличение толщины крепи в рассмотренном диапазоне условий малоэффективно и может быть рекомендовано только в слабых породах (Є0<2000 МПа). В остальных случаях после исчерпания возможностей по варьированию прочности бетона целесообразно производить анкерное упрочнение породного массива.

В заключении следует отметить, что выполненное исследование, хотя и основано на современных аналитических методах расчета крепи, содержит ряд допущений и не учитывает влияние многих факторов. В частности формулы (1) и (3) содержат эмпирические ко-

10 11

12

Go, МПа -10

Рис. 4. Эффективность рас-

смотренных способов повышения несущей способности крепи в различных условиях

*

эффициенты а и Д методика определения которых требует дальнейшего совершенствования. Рассмотрение породного массива, упрочненного анкерами, как квазиоднородного, является довольно условным. В представленных расчетах не учитывается слоистость и трещиноватость породного массива, а также неоднород-ность самой крепи. Большое значение на несущую способность крепи оказывает технология работ и последующие условия эксплуатации.

В настоящее время методы расчета крепи постоянно совершенствуются, ис-

1. Инструкция по расчету и применению облегченных видов крепей с анкерами в вертикальных стволах. - Харьков. ВНИИ-ОМШС, 1990. - 75 с.

пользуется все более сложный математический аппарат и методы механики твердого тела, позволяющие исключить ряд указанных выше несоответствий аналитической модели реальным условиям. Однако разработка единой методики проектирования крепи вертикальных стволов, учитывающей все стадии строительства и эксплуатации сооружения и основанной на применении научно обоснованных ресурсосберегающих способах крепления, остается актуальной задачей строительной геотехнологии.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. Учеб. для вузов. - М.: Недра, 1994. - 382 с.

— Коротко об авторе

Плешко М. С. - кандидат технических наук, доцент кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы» Шахтинского института (филиала) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института), г. Шахты.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 4 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. С.А. Гончаров.

Д И С С Е Р 1 А Ц И И ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЧАВКИН Александр Обоснование технологических решений по сохранению несущей способности 25.00.22 к.т.н.

Иванович

анкерной крепи подготовительных выработок в период эксплуатации