CC BY
83
УДК 622.272:622.283.74 И.Л. Озорнин
ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТЮБИНГОВОЙ КРЕПИ СТВОЛОВ*
Приведены результаты исследований по оценке несущей способности крепи ствола и закрепного пространства шахты «Десятилетие независимости Казахстана».
Ключевые слова: клетевой ствол шахты, закрепное пространство, приконтур-ный породный массив, крепь.
Семинар № 3
I.L. Ozornin
THE EVALUATION OF STRESSED AND DEFORMED STATE OF TUBING SUPPORTS FOR SHAFTS
The results of study on estimation the bearing capacity of shaft supports and hardened space of an open pit which name is coincided to the tenth anniversary of Kazakhstan independence are shown.
Key words: shaft with cage winding, stabilized area, near contour rock mass, support.
*Работа выполнена при поддержке РФФИ и Совета по грантам Президента РФ.
П
Рис. 1. Места контроля состояния крепи ствола
рактика разработки хромитовых месторождений Донского ГОКа насыщена многочисленными примерами особенного развития геоме-ханических процессов, как на открытых, так и подземных горных работах. Интенсивное проявление горного давления в капитальных, подготовительных и очистных горных выработках, закономерности развития процесса сдвижения в налегающей толще пород - все это свидетельствует о высоком уровне тектонических напряжений в районе залегания месторождений, проявляющиеся в процессе строительства и эксплуатации горных предприятий. Особенно остро проблема проявилась при строительстве первой очереди шахты «Десятилетие независимости Казахстана», когда происходили аварии в стволах, их сопряжениях и камерах.
Клетевой ствол шахты "ДНК" диаметром в свету 8 м пройден до глубины 1009 м (абсолютная отметка -602 м), был подвергнут мокрой консервации в 1998 г. начиная с гор. -160 м., т.е. 440 м.
В 2004 г. возникла необходимость расконсервации ствола. Учитывая сложные горно-геологические условия месторождения и напряженное состояние массива горных пород, в котором был пройден клетевой ствол, Институтом горного дела УрО РАН был выполнен комплекс исследований по оценке не-
сущей способности крепи ствола и за-крепного пространства.
В работе был задействован комплекс инструментальных методов геоконтроля, использующих серийно выпускаемые сертифицированные средства измерения и известные общетехнические методики, применяющиеся при геомеханических исследованиях в России, Казахстане и за рубежом. Было намечено семь измерительных станций, по которым оценивалось состояние крепи, закрепного пространства и массива пород вокруг ствола (рис. 1).
В районе промплощадки шахты «Десятилетия независимости Казахстана» были установлены, с применением технологий спутниковой геодезии GPS, современные геодинамические движения, соз-
дающие специфику в развитии геодина-мических процессов.
Из результатов проведенных исследований следует, что максимальные трендовые смещения пунктов полиго-нометрии имели место на площадке Вспомогательного ствола, где они составили в плане 231 мм. Вызванные ими горизонтальные деформации при равномерном распределении по всему интервалу достигали 0.846 мм/м. Это свидетельствует приращению тектонических напряжений в пределах 4.55.0 МПа.
Прямое использование этих данных в качестве изменения граничных условий в районе крепи ствола дает основание считать, что они не вызовут серьезных изменений в ее напряженном состоянии. Полученный уровень изменений напряжений составляет в пределах 30-50% от тектонических компонентов и 15-20% от полных напряжений, задаваемых в качестве граничных условий при работе крепи.
Контроль за состоянием закрепного пространства и приконтурного породного массива ствола осуществляли путем визуального зондирования через шпуры, пробуренные через тампонаж-ные отверстия тюбингов. Первичную информацию о наличии незатампони-рованных пустот и проявлений выщелачивания закрепного бетона получали в процессе бурения шпуров: по проскокам бурового снаряда. При обнаружении нарушений детальное их обследование проводили с помощью перископического прибора РВП.
Первичную оценку напряженно-деформированного состояния крепи ствола осуществляли путем визуального осмотра поверхности тюбингов. В этом плане, кроме явных деформаций и нарушений целостности тюбингов и болтовых соединений, индикатором повы-
шенных напряжений служат стресс-коррозионные проявления: характерные, напоминающие окалину, отслоения чешуек и пластинок чугуна.
Для замеров абсолютных значений напряжений, действующих в тюбинговой крепи на момент проведения измерений, применяли известный метод щелевой разгрузки, заключающийся:
- в формировании плоской щели (щелей) в исследуемой напряженной среде: горной породе, бетоне или, как в рассматриваемом случае, чугуне тюбинговой крепи;
- замере, по смещениям предварительно установленных реперов, деформаций напряженной среды на сформированную щель (щели);
- пересчете полученной величины относительных деформаций в абсолютные напряжения путем решения соответствующей задачи теории упругости с использованием известных параметров: формы и размеров щели, а также деформационных характеристик среды -модуля упругости и коэффициента Пуассона.
Учитывая специфику проведения замеров в условиях шахтного ствола, закрепленного тюбинговой крепью, в настоящей работе метод щелевой разгрузки отличался следующими особенностями.
1. В качестве реперов использовали стержни из нержавеющей стали длиной 40 мм и диаметром 3,7 мм которые закрепляли в отверстия, просверленные на контуре элементов тюбинговой крепи в местах проведения замеров.
2. Для разделки разгрузочных щелей применяли пневматическую угловую шлифмашинку (так называемую "болгарку") с диаметром полотна 230 мм.
3. Смещения реперов замеряли индикатором часового типа ИЧ-10Р серийно-
(1)
Рис. 2. Схема проведения замеров напряжений в ребрах тюбинговой крепи методом щелевой разгрузки
го производства с точностью отсчета 0,01 мм.
4. В зависимости от условий выполнения натурных исследований измерения напряжений осуществляли по двум разновидностям метода щелевой разгрузки: в спинках и ребрах тюбингов.
Замеряемые напряжения опреде-ляли по следующей формуле:
а = Е и/[2 Ьщ В - 1 (1 - К + ц ^|),
где о - замеряемые напряжения, действующие по нормали к плоскости разгрузочной щели, МПа; и - взаимные смещения основных реперов, мм; Ьщ - ширина прямоугольной щели, эквивалентной по площади полукруглой, мм; 1 -расстояние между основными реперами, мм; Ь - глубина щели, мм; В = 1 - ехр(-2,4 Ьщ / Ьщ) - коэффициент формы, в том числе учитывающий аппроксимацию полукруглой щели прямоугольной; К1 , К|| - интегральные коэффициенты концентрации напряжений, действующих на участке между основными реперами и разгрузочной щелью. Находятся по эмпирическим зависимостям, найденным путем объемного моделирования на пенополистироле [1]; ц - коэффициент Пуассона материала крепи. При замерах, как в тюбингах, так и в бетонной крепи, принимали ц = 0,2; Е - модуль упругости материала крепи. При проведении замеров в тюбингах принимали табличный модуль чугуна СЧ-21-40, состав-
Ь - глубина пропилов, Ь - расстояние между пропилами, I -расстояние между реперами (база замера)
ляющий Е = 100000 МПа, а при замерах в крепи рассечки - табличный модуль упругости бетона В25 Е = 30000 МПа.
Между тем, в условиях использования "болгарки", выпиливание щелей в чугунном массиве спинки тюбинга является более трудоемкой операцией по сравнению с выполнением надрезов на ребрах. Поэтому, после проведения предварительной оценки напряженного состояния крепи ствола, было принято решение использовать в качестве основной методики щелевую разгрузку горизонтальных и вертикальных ребер тюбинговой крепи. Методика позволяла выявить максимальные значения напряжения, действующих в тюбинговом кольце.
Для минимизации глубины пропилов разгружаемый участок внутреннего контура кольца оконтуривали с обоих сторон: так, как это изображено на рис. 2. Замеряемые напряжения о определяли по формуле:
о = (Е е)/(1 - К), (1)
где Е - модуль упругости чугуна, составляющий Е = 100000 МПа; е = //И - относительная деформация контура ребра (на базе I); I -расстояние между реперами, мм; и - замеренные взаимные смещения реперов, мм; К - коэффициент концентрации напряжений, действующих на контуре участка ребра, оконтуренного пропилами глубиной к, разнесенных на расстояние Ь (рис. 2). Коэффициент определяется по эмпирической зависимости [8], представленной на рис. 3.
Для инструментального контроля смещений (конвергенции) контура крепи во времени применяли метод повторного измерения линий базиса (реперных линий), заключающийся в установке реперов на диаметрально противоположных точках тюбингового кольца и последующих замерах изменений расстояния между ними в процессе возможного деформирования контура ствола. При проведении замеров использовали стандартную маркшейдерскую рулетку, дополнительно оснащенную скользящим нониусом серийного штангенциркуля -для повышения точности отсчета до 0,1 мм, и динамометром - для обеспечения постоянного усилия натяжения. Также применяли лазерную рулетку "Б181:о-Рго", обеспечивающую точность отсчета до 1 мм при существенно меньшей трудоемкости.
С помощью прибора ССП (спектрально-сейсморазведочного профилирования) определено состояние массива пород вокруг ствола в отметках -
бинга (между двумя пропилами):
Ь - глубина пропилов, Ь - расстояние между пропилами, I -расстояние между реперами (база замера)
160 ^ -320 м, в районе сопряжения -480 м и в отметках гор. -480 -560 м.
Испытание данного метода в условиях Донского ГОКа показали эффективность его использования для оценки состояния массива пород вокруг горных выработок в сложных горногеологических условиях, а также для опережающего контроля состояния массива пород при проходке горных выработок.
Выполненный комплекс исследований позволил произвести общую оценку состояния устойчивости ствола клетевого после его почти десятилетней консервации.
Внешний осмотр крепи ствола дает основание сделать вывод, что каких-либо видимых деформаций крепи не произошло, коррозийные явления отсутствуют. Закрепное пространство за тюбингами, представленное монолитным бетоном класса В15, не подверглось выщелачиванию.
Поэтому опасения в том, что крепь находилась в агрессивной среде в течении почти десяти лет не оправдались и можно сделать вывод, что с точки зрения, коррозийных явлений, выщелачивания закрепного бетона и видимых деформаций крепи за период мокрой консервации ствола не произошло.
Результаты измерения напряжений в крепи показали, что величины их не превышают нормативной прочности.
Есть незначительное превышение (20 МПа) в двух случаях на отметках -316 и -560 м. Но эти результаты далеко не достигают предельной прочности чугунной тюбинговой крепи и составляют меньше 50% от [о] предельного.
Растягивающие напряжения в тюбингах были зафиксированы на отметках -315, -316 м, -553 м, -575 м, -576 м -в районе сопряжений и обусловлены характером распределения напряжений вокруг сопряжений. В ранее выполненных работах есть обоснование их неизбежности при образовании рассечек в условиях напряженно-
деформированного состояния, характерного для шахт Донского ГОКа.
По данным спектральной сейсморазведки установлено, что сильно нарушенные породы находятся на участке от гор. -160 и до гор. -320 м (160 м) и ниже этого горизонта на 30-40 м рис. 4, а. Спектральной сейсморазведкой зафиксировано бывшее сопряжение гор. -240 м, которое было затампонировано рас-
творами бетона в процессе вторичной проходки. Рис. 4, а.
По данным сейсморазведки на глубине -480м свойства пород вокруг ствола незначительно улучшаются, зоны с сильно нарушенной структурой имеют меньшую мощность, чем на вышерасположенных глубинах (-160 ^ -320 м), причем западная сторона более нарушена, чем восточная,начиная от рассечки гор. -480 м вниз) свойства пород вокруг ствола значительно улучшаются и в основном представлены породам с ненарушенной структурой и на отдельных маленьких промежутках (отм.-550 -560 м) разделяют-
ся породами со слабо нарушенной структурой. Рис. 4, б. Эти данные хорошо подтверждаются журналом проходки ствола, где гораздо меньше было обрушений стенок ствола и переборов. Породы с наиболее ненарушенной структурой установлены по результатам сейсморазведки с восточной и западной сторон из рассечек гор. -560 м.
а)
б)
Ниже горизонта -560 м до отметки -660 м по данным сейсморазведки в основном породы имеют ненарушенную структуру и лишь на маломощных участках залегают породы с нарушенной структурой (рис. 4, в). Результаты исследований показывают, что с глубиной свойства пород вокруг ствола улучшаются, появляются протяженные участки с ненарушенной структурой, что способствует повышению устойчивости пород при их обнажении во времени.
Выполненный комплекс исследований по состоянию крепи ствола и закрепного пространства с применением традиционных методов - метода щелевой разгрузки,
Рис 4. а) Геомеханический разрез по стволу гор.-160 ^ -320 м; б) Геомеханический разрез по клетьевому стволу в отметках -480 ^ -580 м; в) Геомеханический разрез по стволу в отметках - 560 ^ - 650 м
Среднегодо-
вая
просмотра закрепного пространства с помощью прибора РВП и применения нового метода оценки состояния массива пород вокруг ствола с применением спектральной сейсморазведки, подтвердили
1. Зубков А.В. Геомеханика и геотехнология / Екатеринбург: УрО РАН.- 2001.- 335с.
2. Исследование напряженно-деформированного состояния крепи стволов ш. "Цен-
эффективность нового метода и необходимость его применения в сложных условиях для анализа и оценки устойчивости массива пород при его обнажении.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
тральная" с учетом влияния выработок около-ствольного двора. Отчет о НИР/ ИГД УрО РАН. Рук. Боликов В.Е.- Екатеринбург.- 1992.- 40 с. ЕПЗ
г Коротко об авторе --------------------------------------
Озорнин И.Л. - Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург, e-mail: [email protected]
ТАМОЖНЯ ДАЕТ ДОБРО, ... НО НЕ БЕСПЛАТНО
Эту историю мне рассказали в Австрии. Оказывается, после по-беды Ильи Муромца над первым таможенником Соловьем-Разбойником ситуация в лесах улучшилась. Но свято место пусто не бывает. На место мифического Соловья-Разбойника пришли настоящие разбойники с большой дороги. Вот как это происходило.
Крестоносцы тоже не были ангелами, они под видом освобождения религиозных святынь беспощадно грабили ближневосточные страны. И с огромными обозами, нагруженными ценностями, возвращались домой через Австрию и другие страны Центральной Европы. А на дорогах их ждали другие разбойники, которые по разным причинам не участвовали в Крестовых походах, отнимали у крестоносцев ранее награбленное.
Экспроприация приняла такие масштабы, что создавались специальные отряды сопровождения, разрабатывались маршруты лавирования между бандитскими отрядами, вырабатывалась стратегия движения, велись переговоры. В конце концов, монархи европейских государств решили узаконить грабежи, к тому же придать ему силу неотвратимости. Для этого создали государственную таможенную службу, рекрутировав туда дорожных бандитов. Отнятое делили «по справедливости», заслоны поставили вдоль всех границ, написали инструкции. И дело закипело.
Прошла тысяча лет. Таможенное дело совершенствуется, казна получает приличные доходы, сотрудников таможни развращают коммерсанты и рядовые путешественники. Люди уже забыли о возмущении неправедным промыслом и свыклись с необходимостью делиться своим добром. Техника отъема изменилась, впрочем, суть та же.
Из книги Л.Х. Гитиса «Верхом на тигре». М.: Горная книга, 2009. С.238
Таможенная деятельность приносит государству огромные средства, здесь работают тысячи людей, высока коррупция, пересечь границу стало непростой проблемой. А как все это начиналось?
