Анализ современного состояния строительства вертикальных стволов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

- © С.В. Сентябов, 2014

УДК 622.833.5

С.В. Сентябов

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ

В России и странах СНГ проходка вертикальных стволов осуществ-ляется по совмещенной технологической схеме с креплением монолитной бетонной крепью, которая практически не имеет альтернативы в настоящее время. Нагружение бетонной крепи во времени свидетельствуют о весьма интенсивном влиянии на такой важнейший параметр материала крепи, как прочность, и позволяют утверждать, что не учет при проектировании астрофизических напряжений может являться одной из причин снижения долговечности крепи в период эксплуатации. Ключевые слова: деформации, шахтный ствол, гравитационно-тектонические напряжения, напряженно-деформированное состояние крепи стволов, астрофизические напряжения, бетонная крепь.

Шахтные вертикальные стволы являются основными вскрывающими выработками большинства горнодобывающих предприятий, связывающими подземные добычные горизонты с земной поверхностью. Стволы относятся к капитальным подземным сооружениям, и срок их эксплуатации может достигать 60-80 лет и более. В течение этого периода ствол в зависимости от своего назначения должен обеспечивать безаварийную выдачу полезного ископаемого и породы, спуск-подъем людей, материалов, оборудования, необходимый режим вентиляции, и др.

Применяемые в отечественной и зарубежной практике технологические схемы проходки стволов можно разделить на три основные группы: схемы с последующим, параллельным и совмещенным креплением.

Переходя к анализу отечественного опыта строительства вертикальных стволов, можно отметить, что совмещенная схема проходки стволов начала внедряться с конца 50-х гг. XX в. Предпосылками ее создания стали многочисленные исследования отечественных ученых и специалистов, направленные на отказ от применения в стволах временной крепи. Первоначально эта проблема была решена путем разработки технологии крепления стволов железобетонными тюбингами в направлении сверху вниз вслед за подвиганием забоя. Однако высокая трудоемкость возведения и стоимость такой крепи, а также нецелесообразность ее применения в устойчивых породах, потребовали дальнейшего совершенствования совмещенной схемы.

Свои окончательные очертания совмещенная схема приобрела после разработки технологии возведения монолитной бетонной крепи в забое ствола с помощью передвижной опалубки со спуском бетона с поверхности по трубопроводам. После ряда опытных внедрений эта схема стала широко распространяться и постепенно вытеснила все остальные. По совмещенной схеме было построено около 85% стволов в нашей стране.

В настоящее время эта технология практически не имеет конкуренции. Применительно к ней разработаны основные нормативные документы и унифицированные технические решения, включая технологические карты проходки и крепления стволов, нормы технологического проектирования оснащения про-

ходки стволов с использованием передвижного проходческого оборудования, схемы армировки и другие проектные решения.

Различными исследованиями [3] было установлено, что взаимодействие системы «бетонная крепь - породный массив» во времени подразделяются на два периода. Первый характеризуется интенсивным ростом смещений пород, второй их медленным увеличением. При этом после обнажения пород в процессе проведения выработки происходит смещение обнаженной поверхности еще до возведения крепи.

В методике расчета крепи стволов [7], основанной на схеме контактного взаимодействия крепи и окружающего массива, влияние технологической схемы проходки учитывается путем введения в формулы по определению расчетных напряжений вокруг выработки корректирующего множителя а*. Его физический смысл можно представить в виде выражения

• 1 ио

а =1 - и" (1)

да

где и0 - начальные смещения выработки до установки крепи; иа - полные смещения выработки, в случае ее оставления без крепи.

Определение коэффициента а* возможно в результате аналитического анализа механических моделей массива, обработки результатов натурных измерений, численного моделирования и др. Как правило, он представляются в виде функциональной зависимости от параметра Ь/Я, где L - это отставание постоянной крепи от забоя, Я - радиус ствола.

С 1998 г. по настоящее время при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований лаборатория геодинамики и горного давления Института горного дела УрО РАН ведет экспериментальные работы по изучению изменения во времени напряженно-деформированного состояния (НДС) - геодинамической активности массива горных пород. Для этого были оборудованы наблюдательные станции на различных рудниках Урала вне зоны влияния горных работ на глубинах от 420 м до 1070 м.

В ходе анализа результатов работы было установлено явление периодического изменения НДС массива горных пород вследствие расширения и сжатия земной коры (Земли) с временным интервалом, в среднем, 11 лет [1]. Из периодической литературы известно, что исследование природы геодинамической активности удобнее всего вести во временном ряду циклов солнечной активности (СА) [2], а напряжения, которые вызываются изменением размеров Земли принято называть астрофизические стАф [5].

Изменение НДС состояния массива горных пород происходит вследствие добавления к действующим условно постоянным гравитационно-тектоническим напряжениям переменной величины, называемой астрофизическими напряжениями стАф, величина которых может достигать десятков мега паскалей (МПа).

В связи с этим в 2013 г. лабораторий геодинамики и горного давления ИГД УрО РАН была выдвинута новая гипотеза, в соответствии с которой напряженное состояние массива горных пород изменяется во времени, а не является постоянным, полученным в момент измерения [4].

аП = + + °АФ (2)

ах = + + °аф (3)

ау = -^УН + + °АФ (4)

416

ЯоВт/л 1

1366

1365

136-1

ц. Л

: 1 1 \

1111 111 ■. 11 1 ■ > 1,11 1 Ь 1.1 1.1 -■- 1 -» 1 1

5.0 0,0 -5.0 -10.0 -15,0 -20,0 -25,0 ОлфЛШж

90 92 9-1 96 98 00 01 04 Об 08 10 12 14 16 18 20

>

'5 10 2( 15 201

\\ X Л 1 *

л /" » гг* 1 »» -, ч . \

к х ф \ . ' ч ■

. X

ф Г.1Й в Н. Тагил 1 Березовский ^Крлснатурьннск X Учалы О \oijj Ч Екатеринбург

■и -и

-2.4 3,0

еА,«1с4

Рис. 1. Изменение НДС массива на рудниках в городах Урала и Алтая на фоне изменения излучения Солнца

п п п „

где °х' °у' °z - составляющие главных напряжении, МП 1а; у - удельный вес

пород, Н/м3; Н - мощность налегающих горных пород, м; X - коэффициент

бокового распора (определяемый коэф. Пуассона); ст , ст , ст - главные ста-

11x1 1 ^ '' г^' хт' ут

тические составляющие постоянных тектонических сил, МПа; стАф - временной показатель пульсации астрофизических напряжений.

Для того чтобы рассчитать напряжения в крепи в интересующий нас момент времени нужно знать величину первоначальных напряжений Для этого нужно из результатов измерений (табл. 1) вычесть того момента времени, когда были сделаны замеры и прибавить в интересующий момент времени (рис. 1).

Величины первоначальных гравитационно-тектонических напряжений, без учета астрофизических напряжений измеренных на Гайском подземном руднике представлены в табл. 1.

Таблица 1

Величины первоначальных гравитационно-тектонических напряжений, без учета астрофизических напряжений

Год проведения измерений Глубина, Н, м Субмеридиональное, ст., МПа Субширотное, ст2, МПа Вертикальное, стг, МПа Астрофизические напряжения, стАф, МПа

1998 830 -12 + СТаф -33 + СТАФ -22 -7

2004 910 -16 + СТАФ -38 + СТАФ -25 -4

2008 1070 -23 + стДЛ АФ -40 + стДЛ АФ -33 -9

С целью оценки устойчивости крепи стволов на руднике были сделаны предварительные расчеты напряжений, действующих в крепи на горизонтах 830 м, 910 м и 1070 м, для условий, когда действуют гравитационные уН и тектонические стт напряжения. Бетонная крепь возведена у забоя и набрала полную прочность и упругость из-за остановки проходки. Схема расчета (рис. 2) и методика представлена ниже.

сте(Х) Р

рп

р [СТХ (КX(X) КХ(X) ) + СТУ (КX(У) КХ(У) ) + СТИ (КХ(И) КХ(И) )]

рп

Р [СТУ (КУ (X) - КУ(X) ) + СТУ (КУ (У) - КУ(У) ) + СТИ (КУ (И) - КУ(И) )]

сте(У) р

где сте(х), сте(у) - главные горизонтальные напряжения, МПа; ЕБ - модуль упругости бетона; ЕП - модуль упругости породы; Кх(х), КУ(Х)... - условные коэффициенты концентрации напряжений ст(х), ст(у), по осям Х и У.

Результаты расчета напряжений, действующих в бетонной крепи, представлены в табл. 2.

В процессе исследований на месторождении натурные определения напряжений, действующих в крепи стволов, проводились при помощи модифицированного метода щелевой разгрузки. Измерения были проведены на глубине 830 м, 910 м, 990 м, 1070 м и 1390 м Гайского подземного рудника.

Суть метода заключается в измерении деформации индикатором часового типа между реперами до разгрузки и после нее. Для разгрузки массива методом щелевой разгрузки используется щель, выполненная при помощи колонкового перфоратора [6], метод довольно трудоемок. Нами при выполнении замеров метод был значительно модернизирован за счет использования в качестве режущего инструмента бензорезов последнего поколения. При этом данное оборудование полностью автономно, не требующее подключения к магистра-

Таблица 2

Расчетные гравитационные уН и тектонические ат напряжения в бетонной крепи

Горизонт Верх кольца Низ кольца

стен МПа °емМПа МПа °емМПа

-830 м -8,5 -0,77 -15,3 -0,8

-910 м -8,7 -0,9 -15,8 -0,6

-1070м -8,8 -1,2 -16,6 -4,8

Таблица 3

Результаты расчета напряжений на контуре выработки методом щелевой разгрузки

1-ая станция (горизонт 830 м) 2-ая станция (горизонт 910 м) 3-ая станция (горизонт 990 м) 4-ая станция (горизонт 1070 м) 5-ая станция (горизонт 1390 м) 6-ая станция (горизонт 1390 м)

-4,6 МПа -4,6 МПа -1,1 МПа -2,3 МПа -1,1 МПа -2,3 МПа

лям со сжатым воздухом, привязки к электрическим сетям и водопроводу, что существенно увеличивает область его использования.

По результатам измерений с помощью нового метода были получены деформации и пересчитаны в напряжения, действующие на контуре выработки, представлены в табл. 3. Полученные величины напряжений в крепи возведенной при совмещенной проходке, отличаются от теоретических за счет того, что бетон не набрал полную прочность и деформировался пластично.

Рис. 2. Схема к расчету напряжений Для более правильного обосновав крепи ния параметров крепи стволов в современных обстоятельствах, характеризующихся увеличением глубины проходки, ухудшения горно-геологических условий и изменяющихся во времени астрофизических напряжений необходимо учитывать на этапе проектирования ствола.

Нагружение бетонной крепи во времени свидетельствуют о весьма интенсивном влиянии на такой важнейший параметр материала крепи, как прочность, и позволяют утверждать, что не учет при проектировании астрофизических напряжений может являться одной из причин снижения долговечности крепи в период эксплуатации.

_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зубков А.В., Зотеев О.В. и др. Закономерности формирования напряженно-деформированного состояния земной коры Урала во времени // Литосфера - 2010. - № 1 - C. 84-93.

2. Яковлев Д.В., Тарасов Б.Г. О взаимосвязи геодинамических событий в шахтах и рудниках с циклами солнечной активности // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. Труды междунар. конф. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2001. - С. 56-65.

3. Булычев Н.С., АбрамсонХ.И. Крепь вертикальных стволов шахт. - М.: Недра, 1978. -301 с.

4. Зубков А.В. Периодическое расширение и сжатие земли как вероятный механизм природных катаклизмов // Литосфера. - 2013. - № 2. - С. 145-155.

5. Зубков А.В. Горнотехнические условия отработки колчеданных месторождений // Уральский горнопромышленный форум V: Колчеданные месторождения - геология, поиски, добыча и переработка руд: материалы Всерос. науч. конф. Чтения памяти С. Н. Иванова / УрО РАН, Институт геологии и геохимии УрО РАН и др. - Екатеринбург, 2013. - С. 60-62.

6. Зубков А.В. Геомеханика и геотехнология. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2001. - 333 с.

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

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_

Сентябов Сергей Васильевич - младший научный сотрудник,

e-mail:[email protected],

Институт горного дела УрО РАН.

UDC 622.833.5

ANALYSIS OF THE CURRENT STATUS OF CONSTRUCTION VERTICAL MINE SHAFTS

Sentyabov S.V., Junior Researcher, e-mail: [email protected], Institute of Mining of Ural Branch of Russian Academy of Sciences.

In Russia and CIS countries, vertical shaft sinking is fulfilled using a combination process flowsheet and monolithic concrete lining that has no alternative at present. Increment of load on concrete lining in length of time emphasizes importance of the lining material strength and speaks well for the statement that the neglect of astrophysical stresses during planning may be one of the causes of the lining life shortening.

The article reports the on-site determination of stresses in shaft lining. The research used the modified method of destress slots. The method consisted in strain measurement between check points before and after destressing by a watch-type measuring indicator. The destress slot was cut by a latest generation gasoline blow torch that is fully independent, needs no connection to a compressed air line, electric main or water supply, which expands application range of the tool.

Based on the field measurements using the new method, the strains were obtained and converted into actual stresses at excavation walls.

Key words: strains, mine shaft, gravitation-tectonic stresses, stress-strain state of shaft lining, astrophysical stresses, concrete lining.

REFERENCES

1. Zubkov A.V., Zoteev O.V. Litosfera, 2010, no 1, pp. 84-93.

2. Jakovlev D.V., Tarasov B.G. Geodinamika i naprjazhennoe sostojanie nedr Zemli. Trudy mezhdunarod-noj konferencii (Geodynamics and stress state subsoil of the earth. Third International conference), Novosibirsk, IGD SO RAN, 2001, pp. 56-65.

3. Bulychev N.S., Abramson H.I. Krep' vertikal'nyh stvolov shaht (Shoring vertical shafts), Moscow, Nedra, 1978, 301 p.

4. Zubkov A.V. Litosfera. 2013, no 2, pp. 145-155.

5. Zubkov A.V. Uralskij gornopromyshlennyj forum V: Kolchedannye mestorozhdenija geologija, poiski, dobycha i pererabotka rud: materialy Vserossijskoj nauchnoj konferencii. Chtenija pamjati S.N. Ivanova (Ural mining forum V: Massive sulfide deposits - geology, exploration, mining and ore processing : Materials Scientific Conference Reading memory S.N. Ivanov), UB RAS, Institute of Geology and Geochemistry, Ural Branch of RAS and etc. Ekaterinburg, 2013, pp. 60-62.

6. Zubkov A.V. Geomehanika i geotehnologija (Geomechanics and Geotechnology), Ekaterinburg: IGD UrO RAN, 2001, 333 p.

7. Bulychev N.S. Mehanika podzemnyh sooruzhenij. Ucheb. dlja vuzov (Mechanics of underground structures. Textbook for universities), Moscow, Nedra, 1994, 382 p.

Д.

ОТ РЕДАКЦИИ

В Горном информационно-аналитическом бюллетене (научно-техническом журнале) № 6, 2014 г., в статье авторов А.В. Шадриной, Т.В. Кабановой на с. 383 в заголовке таблицы в колонках 4, 8, 12

Напечатано Следует читать

Удельная энергия разрушения, Дж/см3 Удельная энергоемкость разрушения, Дж/см3