Обоснование рациональных параметров комбинированной чугунно-бетонной крепи вертикальных стволов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

-------------------------------------------- © С.А Масленников, 2011

УДК 622.28

С.А. Масленников

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННОЙ ЧУГУННО-БЕТОННОЙ КРЕПИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ

Рассмотрены особенности работы бетона в комбинированной чугунно-бетонной крепи. Предложен способ повышения экономичности и несущей способности указанного типа крепи, заключающийся в применении в качестве внешнего слоя бетона с повышенным модулем деформации.

Ключевые слова: строительство, деформация, крепь, тюбинг.

~П связи с усложнением условий

-Щ-* проходки вертикальных стволов в последние десятилетия всё более широкое применение находят многослойные крепи. В частности в сложных горногеологических условиях при проходке по слабым, несвязным породам, при наличии высоконапорных подземных вод широко применяют один из видов комбинированных крепей — чугуннобетонную. Из последних, наиболее крупных проектов, в которых использовали данный тип крепи, нужно упомянуть строительство 5 стволов по заказу компании «Алроса» на двух рудниках «Мир» и «Удачный», самого глубокого в Евразии (1865 м.) ствола ВС-7 рудника «Таймырский», вертикального ствола ш. «Северная вентиляционная № 2». (1) В таблице приведены характеристики нескольких из упомянутых стволов.

Анализ современного опыта строительства стволов закрепляемых комбинацией чугунных тюбингов и бетона позволил выделить ряд специфических особенностей существенно влияющих на характер работы такой крепи. Важнейшие из них приведены ниже.

Применяемая технология, в рамках которой спуск бетонной смеси выполняют по трубопроводам, а укладку производят через отверстия в тюбингах, накладывает ограничения на её состав, которые отрицательно влияют на деформационные характеристики бетона.

Бетон, находящийся между породой и чугуном, работает в условиях объёмного напряжённого состояния, при этом предел допустимых напряжений повышается в несколько раз.

Под воздействием длительно действующей нагрузки в условиях объёмного напряжённого состояния бетон проявляет реологические свойства, значительно изменяя показатели, замеренные при мгновенном нагружении.

Рассмотрим подробнее первый пункт. Для предотвращения возникновения заторов в трубопроводе и отверстии для укладки, а также лучшего растекания, бетон, укладываемый в затю-бинговое пространство, должен иметь подвижность смеси не менее 11 см, с увеличением по мере роста глубины. Кроме этого по тем же причинам крупный заполнитель вводят с максимальными размерами фракций не более 20 мм. Проводившиеся исследования пока-

Таблица 1

Характеристики стволов

Рудник, шахта «Удачный» «Мир» «Северная вентиляционная № 2»

Назначение ствола вентиляционно- вспомогательный скиповой вентиляционный

Проектная глубина, м 1090,5 1037,0 1285,5

Диаметр ствола в свету, м 8,0 8,0 7,5

Сечение ствола:

в свету, м2 50,24 50,24 44,1

в проходке, м2 63,6 от 63,6 — до 78,5 51,5

Крепь ствола Чугунные тюбинги, Чугунные тюбинги, Чугунные тюбинги,

бетон бетон бетон

Схема проходки совмещённая совмещённая совмещённая

зали, что такой бетон обладает пониженным модулем упругости, а это приводит к нерациональному распределению нагрузок между слоями и, в общем, неэффективной работе многослойной крепи.

Рассмотрим данное положение более подробно. Как известно модуль упругости характеризует соотношение приложенной нагрузки к величине вызванной деформации. Т. е. чем большую нагрузку необходимо приложить для деформации материала, тем большим модулем упругости он обладает. Как следствие этого при равной величине деформации наибольший отпор даёт высокомодульный материал, т. е. при условии равенства деформаций в многослойной крепи он будет воспринимать большую долю нагрузки. В двухслойной чугуннобетонной крепи таким материалом является чугун, имеющий модуль упругости до 10 раз больше чем бетон.

Проиллюстрируем данное утверждение на примере. Расчёт будем производить по методике рекомендуемой приложением к СНиП 2-94-80 (4), перечисленные выше особенности работы чугунно-бетонной крепи удалось количественно охарактеризовать, опираясь на

исследования, посвящённые механическим свойствам бетона (в частности 2,3), за исходные взяты условия проходки скипового ствола рудника «Мир». Результаты представлены на рис 1.

Как видим с ростом нагрузки на крепь напряжения в бетоне и чугуне линейно нарастают, при этом наиболее благоприятное распределение напряжений достигается при величине эквивалентных напряжений менее 1,5 МПа и величине относительных менее 15 % от предельных. При достижении напряжениями, в рёбрах тюбингов, предельных значений (при Рея « 10,2 ,

ип С (1 )

—— « 100%) использование несущей

^0(1)

способности бетона составляет менее 50 % (при Рец « 10,2 ,

с(4)

—— « 48,4%). Таким образом можно

^Ьа(4)

сделать вывод о неэффективности работы бетона, несущая способность которого используется не в полной мере, а рациональный режим работы крепь достигает при низких напряжениях (менее 15 % от предельных).

тач / <у0 / 160 140 120 100 80 60 40 20 Д,% А Ряд1

—в— Ряд2

С 2 1 6 8 10 12 14 16Р„я, МПа

Рис. 1. Зависимость изменения относительных напряжений в двухслойной чугунно-бетонной

с'п

крепи (—^) при росте эквивалентным напряжений (Р,ц): ряд 1 - рост относительных напряжений (%) на внутренней стороне внутренних рёбер чугунных тюбингов; ряд 2 - рост относительных напряжений (%) на внутренней поверхности слоя бетона

Данный вывод подтверждается и фактическими данными. При разрушении чугунно-бетонной крепи вентиляционного стола рудника «Пийло», после разборки деформированных колец, было выявлено, что бетонная часть крепи не разрушилась, т. е. на момент достижения напряжениями в чугуне тюбингов предельных значений, напряжения в бетоне были допустимыми, причём разрушения не произошло даже при выходе из состояния объёмного сжатия. А учитывая, что объёмная прочность для бетона в 3—4 раза выше прочности при одноосном сжатии, становится ясно, вывод, к которому пришли расчётным путём, о недостаточном использовании несущей способности бетона в чугуннобетонной крепи, подтверждается.

Из сказанного выше следует, что для устранения указанного недостатка необходимо изменить существующую практику и использовать в чугунно-бетонной крепи бетоны не с пониженным, в силу технологических особенностей возведения, а с повышенным модулем де-

формации. Для этого существует две возможности: использование бетонов с более высоким классом по прочности или тех же по прочности, но с повышенным модулем деформации. В последнем случае указанное свойство проще всего варьировать за счёт изменения жёсткости/подвижности бетонной смеси и содержания/размера фракций крупного заполнителя. Сразу отметим, что, предлагаемый в последнем случае состав бетона оказывается дешевле использующегося в настоящее время.

С учётом выделенных возможных вариантов решения существующей проблемы для тех же условий, что и в примере выше, был рассмотрен характер нагружения слоёв чугунно-бетонной крепи при применении различных бетонов. Для изучения были выбраны 4 вида: обычный, чаще всего применяемый, бетон класса В20 по прочности; с повышенным модулем упругости В20; используемый при креплении стволов за рубежом бетон класса В40; В40 с повы-

Рис. 2. Распределение напряжений в чугунно-бетонной крепи в зависимости от класса бетона и толщины слоя: ряд 1, 3, 5, 7 - изменение напряжений на внутренней поверхности рёбер тюбингов, соответственно при слое бетона толщиной 0,5 м, В20, толщиной 0,3 м, В40, толщиной 0,3 м, В20, Е, =37500 МПа, толщиной 0,2 м, В40, Е, =45500 МПа; ряд 2, 4, 6, 8 - изменение напряжений на внутренней стороне слоя бетона, соответственно при слое толщиной 0,5 м, В20, толщиной 0,3 м, В40, толщиной 0,3 м, В20, Е, =37500 МПа, толщиной 0,2 м, В40, Е, =45500 МПа

шенным модулем упругости. Для наглядности толщина слоя бетона подобрана таким образом, чтобы несущая способность крепи оставалось примерно одинаковой (разница не более 2,5 %). Результат см. рис. 2. с^3* / Я, %.

Как видим из графиков применение высокопрочных бетонов (ряд 3-4) либо того же класса по прочности, но с повышенным модулем деформации (ряд 56) позволяет снизить толщину крепи при сохранении несущей способности. При этом в последнем случае достигается более рациональное распределение напряжений между слоями, для бетона это

тельного

загружения

до

с

(4)

Я

65,5% при достижении пре-

‘Ьа(4)

с

(4)

Я

= 41,4%, т. е. материал исполь-

дельного состояния чугуном, в рёбрах тюбингов. Сравнивая по аналогии, видим, что использование высокопрочного бетона приводит к снижению относи-

Ьа(4)

зуется менее эффективно.

В общем, по результатам проведённых исследований можно заключить:

При существующих параметрах чугунно-бетонных крепей бетон используется неэффективно.

Применение более прочных или с повышенным модулем деформации бетонов обеспечивает повышение несущей способности крепи в целом.

Повышение модуля деформации бетонов, с точки зрения эффективности использования материалов, рациональнее добиваться использованием более жёстких смесей и повышением размеров крупного заполнителя, а не более прочных бетонов.

Толщину затюбингового слоя при использовании высокомодульных бетонов можно сокращать, по сравнению с

обычным бетоном того же класса по прочности, без снижения несущей способности крепи.

Применение высокомодульных бетонов в чугунно-бетонной крепи приводит к более благоприятному распределению напряжений между слоями и, как следствие, к повышению несущей способности крепи.

1. Масленников С.А. Состояние и перспективы строительства вертикальных стволов в Российской Федерации. // Перспективы развития Восточного Донбасса. Часть 1: сб. науч тр./Шахтинский институт (филиал) ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2008. - с. 174 — 191.

2. Grübl P.; Weigler H., Sieghart K. Beton. Arten, Herstellung und Eigenschaften. Berlin:

Использование в комбинированной крепи бетонов класса выше В20 по прочности может быть признано рациональным только в стволах проходимых способом замораживания, где решающее значение, при снижении толщины слоя, приобретает скорость твердения.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Ernst&Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH, 2001. - 789 S.

3. Weber R. Guter Beton: Ratschläge für die richtige Betonherstellung. Düsseldorf: Verlag Bau+Technik GmbH, 2006. - 150 S.

4. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчёту крепи / ВНИМИ, ВНИИОМШС Минуглепрома СССР. — М.: Стройиздат. - 1983. - 272 с.

Коротко об авторе

Масленников С.А. — ассистент каф. ППГСиСМ, Шахтинский институт (филиал) ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), е-таП: maslennikovSA@mail. ги.

А

----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

ЧИТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ДЯДИН Валерий Иванович Обоснование и разработка метода электродинамической сепарации труднообогатимых металлоносных песков 25.00.13 к.т.н.