Обоснование и разработка метода расчета ледопородных ограждений некруговой формы при проходке стволов способом замораживания

Уголь имеет большое значение для народного хозяйства всех стран. Основные направления экономического и социального развития предусматривают дальнейшее развитие подземной добычи угля. Это связано с перспективой строительства новых глубоких шахт.

Новые месторождения полезных ископаемых характеризуются сложными геологическими и гидрогеологическими условиями. Сооружение стволов в таких условиях возможно только с применением специальных способов.

Как показывает мировой опыт подземного строительства, одним из наиболее универсальных и надежных специальных способов является способ замораживания горных пород. В горнодобывающей практике с применением способа замораживания горных пород сооружаются 70—75% всех вертикальных стволов в сложных условиях.

Практика строительства шахтных стволов способом замораживания показывает, что увеличение глубины стволов, сооружаемых с применением этого способа, ведет к значительному увеличению деформаций защитных ледопородных ограждений (ЛПО), к нарушению их сплошности и целостности замораживающих колонок.

Существуют 4 группы методов расчета ЛПО. Анализом методов расчета защитных ЛПО и практики их формирования можно установить, что принимаемые в настоящее время в аналитических расчетах схемы, в которых ЛПО рассматривается как однородное изотропное тело, правильной круговой формы, искажают фактическую картину напряженно-деформированного состояния конструкции. Поэтому аналитические расчеты, построенные на таких схемах, следует рассматривать как приближенные. Известные в настоящее время методы расчета учитывающие неоднородность ЛПО дают более точные результаты, однако нельзя считать, что они выражают сущность напряженно-деформированного состояния ЛПО, так как в этих методах не учитываются неравномерность формы ЛПО и его взаимодействие с окружающим массивом.

Обоснование и разработка методов расчета ЛПО, образуемых при проходке шахтных стволов с применением искусственного замораживания, учитывающих различные сочетания горно-геологических и горнотехнологических факторов, позволяют повысить надежность и безопасность проектных решений, что является актуальной научной задачей.

Целью работы является установление закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния ЛПО с учетом влияния неоднородного поля температуры, фактической его формы и размеров, схем нагружения для разработки методов расчета его конструктивных параметров и рекомендаций по допустимым отклонениям замораживающих колонок, что в совокупности обеспечивает снижение затрат и сокращение сроков строительства стволов в сложных горно-геологических условиях.

Задачи работы состоят в следующем:

— обоснование возможности применения метода для исследования напряженно-деформированного состояния неоднородного защитного ЛПО произвольной формы;

— исследование влияния расчетных схем ЛПО на формирование его напряженно-деформированного состояния;

— изучение закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния ЛПО под воздействием горно-геологических и горнотехнических факторов: физико-механических свойств пород и массивов, температурного поля, начального напряженного состояния, формы внешнего контура ЛПО, влияния крепи;

— обоснование методики расчета ЛПО с учетом особенностей их взаимодействия с массивом горных пород и технологии формирования.

Идея работы заключается в использовании комбинационных закономерностей влияния горно-геологических и горнотехнологических факторов на формирование напряженно-деформированного состояния ЛПО для обоснования их параметров, обеспечивающих их прочность и устойчивость.

Методы исследований включают анализ литературы по вопросам напряженно-деформированного состояния и расчета ЛПО, математическое моделирование напряженно-деформированного состояния ЛПО и процесса проходки ствола с использованием ЭВМ, аналитические исследования взаимодействия ЛПО с массивом горных пород, и сопоставление результатов аналитических исследований с данными практики.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

— для исследования напряженно-деформированного состояния ЛПО произвольной формы расчетная схема, при которой ЛПО является состав-нои частью массива пород, позволяет отказаться от заданной нагрузки на внешнем контуре ЛПО. Нагрузка и характер ее распределения формируются в результате взаимодействия ЛПО и массива, в зависимости от горногеологических факторов и физико-механических свойств и структурных особенностей массива;

— увеличение жесткости ЛПО приводит к росту радиальных и тангенциальных напряжений ЛПО, то есть чем выше жесткость ЛПО, тем выше в нем концентрация максимальных напряжений и тем меньше влияние окружающего массива на напряженно-деформированное состояние ЛПО. Установлен критерий соотношения модулей деформации ЛПО и окружающего массива, при котором влиянием этого фактора можно пренебречь и, следовательно, для проектирования ЛПО круглого сечения можно применять расчетную схему, при которой не учитывается влияние взаимодействия между ЛПО и окружающим массивом на напряженно-деформированное состояние ЛПО;

— увеличение неравнокомпонентности нагрузок по осям и жесткости ЛПО ведет к увеличению асимметричности напряженно-деформированного состояния, причем уровень асимметричности напряженно-деформированного состояния постоянно увеличивается с ростом неравнокомпонентности нагрузок, но стабилизируется при соответствующем увеличении жесткости ЛПО. Получен критерий соотношения модулей деформации ЛПО и окружающего массива, обеспечивающий стабильность осесимметричности напряженно-деформированного состояния ЛПО;

— деформационные характеристики ЛПО влияют на напряженно-деформированное состояние как упругой, так и упругопластической модели следующим образом: тангенциальные напряжения прямо пропорциональны величинам модуля деформации, а радиальные напряжения обратно пропорциональны величинам модуля деформации;

— возможность образования пластической зоны в ЛПО, закрепленном крепью, определяется главным образом геометрическими и физическими характеристиками крепи, а не зависит от внешней нагрузки. Для определения возможности образования пластической зоны получен критерий.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: достаточной степенью (с погрешностью в среднем не более 2%) совпадения результатов с данными, полученными при решении тестовых задач аналитическими методами, удовлетворительным согласованием теоретических результатов с данными численного моделирования методом FLAC, а также качественным соответствием результатов расчета данным натурных исследований и наблюдений.

Научное значение работы и новизна заключаются в дальнейшем развитии существующих представлений о закономерностях формирования напряженно-деформированного состояния неоднородного защитного ледо-породного ограждения произвольной формы.

Практическое значение диссертации состоит в разработке методики автоматизированного проектирования ЛПО, позволяющей рассчитывать необходимую толщину стенки ледопородного ограждения по условию прочности замороженных пород и по допустимым значениям смещений внутреннего контура ЛПО (или замораживающих колонок), а также по допустимому отклонению замораживающих колонок от правильного направления.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанная методика автоматизированного проектирования ЛПО реализована при проведении научных исследований и в учебном процессе на кафедре СПСиШ МГГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликованы две работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, 5 приложений, списка литературы из 115 наименований и содержит 125.

4.4. Выводы по главе.

Разработана методика автоматизированного проектирования ЛПО, позволяющая рассчитывать необходимую толщину стенки ледопородного ограждения по условию прочности замороженных пород и по допустимым значениям смещений внутреннего контура ЛПО [11в] (или замораживающих колонок [11к), а также по допустимому отклонению замораживающих колонок от правильного направления [Кк] с учетом взаимодействия ЛПО с окружающим массивом, отличающаяся от известных методик возможностью учета отклонения внешнего контура ЛПО от правильной круговой формы и учетом влияния временной крепи ствола, что повышает точность расчетов и надежность принимаемых технологических решений по управлению устойчивостью ЛПО в процессе проходки.

Предлагаемый метод дает большее значение толщины стенки ЛПО или более низкую температуру ЛПО, чем традиционные методы расчета ЛПО, но большую надежность проходки стволов.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения предлагаемой методики для одного ствола составит 16 300 дол. США.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано решение научной задачи по установлению закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния ледопородных ограждений с учетом влияния неоднородного поля температуры, формы и схем его нагружения для разработки методики расчета его конструктивных параметров, обеспечивающих повышение надежности ЛПО, снижение затрат и сокращение сроков строительства стволов в сложных гидрогеологических условиях, что имеет существенное значение для технологического прогресса в шахтном строительстве.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы.

1. На основании анализа существующих методов расчета защитных ЛПО и практики их формирования установлено, расчетные схемы, в которых ЛПО рассматривается как однородное изотропное тело, правильной круговой формы, искажают фактическую картину напряженно-деформированного состояния конструкции. Известные в настоящее время методы расчета, учитывающие неоднородность ЛПО, дают более точные результаты оценки напряженно-деформированного состояния ЛПО, однако в этих методах не учитывается неравномерность формы ЛПО и особенности его взаимодействия с окружающим массивом.

2. Методика расчета температурного поля в ЛПО проф. Н. Г. Трупака справедлива до смыкания ледогрунтовых цилиндров., После смыкания ледогрунтовых цилиндров наиболее точную картину распределения температур в ЛПО при однорядном расположении замораживающих колонок дает решение Б. В. Бахолдина, однако оно не позволяет определять температурное поле ЛПО с некруговым внешним контуром.

3. Предлагаемый метод FLAC обеспечивает достаточную надежность расчетов, что подтверждается высокой степенью (с погрешностью в среднем не более 2%) совпадения результатов решения тестовых задач с результатами точного аналитического решения. Расчетная схема, при которой ЛПО является составной частью массива пород, имеет большие преимущества перед традиционной схемой, так как позволяет отказаться от «заданной» нагрузки на внешнем контуре ЛПО. Нагрузка и характер ее распределения формируются в результате взаимодействия ЛПО и массива, в зависимости от горно-геологических факторов и физико-механических свойств и структурных особенностей массива. Результаты решения тестовых задач подтверждают возможность использования подобных схем.

4. Установлена закономерность влияния соотношения модулей деформации ледопородного ограждения и окружающего массива Ае=Е/Е2 на напряженно-деформированное состояние ЛПО, проявляющаяся в том, что увеличение соотношения модулей деформации Ле приводит к росту радиальных и тангенциальных напряжений ЛПО, то есть, чем выше жесткость ЛПО, тем выше в нем концентрация максимальных напряжений и тем меньше влияние окружающего массива на напряженно-деформированное состояние ЛПО. Для практических целей критерием соотношения модулей деформации, при котором влиянием этого фактора можно пренебречь, является Е де]овв = —8. 2.

Для проектирования ЛПО круглого сечения следует применять схему раздельного деформирования (без учета влияния взаимодействия между ЛПО и окружающим массивом на напряженно-деформированное состояние ЛПО). При расчете ЛПО с некруговым внешним контуром следует использовать расчетную схему совместного деформирования (с учетом влияния взаимодействия между ЛПО и массивом).

5. Полная осесимметричность напряженно-деформированного состояния ЛПО не зависит от соотношения модулей деформации Ае=Е!Е2. С ростом величины соотношения нагрузок Ач постепенно теряется осесимметричность напряженно-деформированного состояния ЛПО. Чем больше величины Лд, тем больше отклонения напряженно-деформированного состояния ЛПО от осесимметричности. Численное значение критерия соотношения нагрузок, при котором обеспечивается осесимметричность напряженно-деформированного состояния ЛПО, составляет.

1А]ос = —= 1,02. Ь.

6. Установлена закономерность влияния соотношений нагрузок и модулей деформации на осесимметричность напряженно-деформированного состояния ЛПО, которая состоит в том, что увеличение Ач и Ле ведет к увеличению асимметричности напряженно-деформированного состояния, причем уровень асимметричности напряженно-деформированного состояния постоянно увеличивается с ростом Ач, но стабилизируется при соответствующем увеличении Ле. Критерий соотношения модулей деформации [Лесос, обеспечивающий стабильность осесимметричности напряженно-деформированного состояния ЛПО, имеет линейную зависимость от соотношения нагрузок Ад.

Ае]сос = -74,174 + 78,8846А,.

7. Закономерность влияния отклонения формы ЛПО от правильной круговой на осесимметричность напряженно-деформированного состояния ЛПО состоит в том, что с увеличением отклонения формы ЛПО от правильной круговой Лф повышается асимметричность напряженно-деформированного состояния ЛПО. Однако степень асимметричности напряженно-деформированного состояния ЛПО при отклонении единой замораживающей колонки невысока. При отклонении формы ЛПО Лф= 30% асимметричность радиальных напряжений, а также тангенциальных напряжений около 5%, а асимметричность радиальных смещений не более 10%.

8. Установлено условие возникновения области растягивающих напряжений <тг и ад. Область растягивающего радиального напряжения аг возникает при Лч>2,50 (для Лд=2,50 одновременно Ле>4), а область растягивающего тангенциального напряжения — при Лч> 1,90 (для Я^=1,90 одновременно Ле>25- для 1^=2,50 одновременно Ле>4). Размеры их увеличиваются с ростом Лч и Ле.

Поскольку в реальных породных массивах, где производятся работы по искусственному замораживанию грунтов, таких высоких соотношений внешних нагрузок практически не существует, можно с достаточной уверенностью считать, что области растягивающих напряжений в ЛПО от влияния данного фактора не образуются.

9. В упругой и упругопластической моделях значения радиальных напряжений о> в замковой плоскости выше, чем в главной плоскости. Их разница уменьшается и сводится к нулю с повышением степени однородности ЛПО.

В упругой модели ЛПО максимальные тангенциальные напряжения действуют не на внутреннем контуре ЛПО, а вблизи осевой плоскости. В упругопластической модели максимальные тангенциальные напряжения <7 В проявлены либо у осевой плоскости, либо на границе упругой и упругопластической зон, а минимальные на внутреннем контуре ЛПО, где находится пластическая зона.

Деформационные характеристики ЛПО влияют на напряженно-деформированное состояние как упругой, так и упругопластической модели следующим образом: тангенциальные напряжения <тд прямо пропорциональны величинам модуля деформации (соответственно пределу прочности на сжатие и коэффициенту сцепления), а радиальные напряжения <уг обратно пропорциональны величинам модуля деформации.

10. При упругой модели самая опасная кольцевая зона находится на внутреннем контуре ЛПО и вблизи, а самая опасная радиальная зона — в замковой плоскостисамая надежная кольцевая зона находится не в осевой плоскости, а во внешней части ЛПО за замораживающими колонками.

11. Крепь улучшает напряженно-деформированное состояние ЛПО независимо от формы его внешнего контура. Чем жестче крепь и больше ее толщина, тем меньше уровень концентрации напряжений в ЛПО. И наоборот, чем жесткость крепи и ее толщина меньше, тем выше уровень концентрации напряжений и, следовательно, возможность образования пластической зоны.

При отсутствии крепи образование пластической зоны зависит от величины внешней нагрузки. Первое критическое значение внешней нагрузки, при котором на внутреннем контуре образуется пластическая зона, определяется по зависимости (3.59) — второе, при котором вся стенка ЛПО перейдет в пластическое состояние, по (3.60).

При наличии крепи, первое критическое значение отпора крепи, при котором на внутреннем контуре образуется пластическая зона, определяется по зависимости (3.56) — второе, при котором вся стенка ЛПО перейдет в пластическое состояние, по (3.57).

12. При определенных массиве и ЛПО, укрепленном бетонной крепью, возможность образования пластической зоны ЛПО определяется геометрическими и физическими характеристиками крепи, а не зависит от внешней нагрузки. Возможность образования пластической зоны определяется по (3.82) или по упрощенным (3.86) и (3.87). Обязательность образования пластической зоны определяется по (3.83).

В ЛПО, укрепленном бетонной крепью, пластическая зона практически не образуется, так как крепь испытывает более 90% суммы внешней нагрузки, а концентрация напряжений в ЛПО невелика. Следовательно, при проектировании ЛПО расчет должен быть произведен для условия отсутствия крепи.

Неоднородность ЛПО и некруговая форма его внешнего контура влияют на напряженно-деформированное состояние крепи лишь при низких, но практически не существующих в реальных условиях значениях модуля деформации материала крепи, поэтому в практических расчетах их влияние можно не учитывать.

13. Анализ практики строительства обследованных стволов шахт способом замораживания показал:

— наибольшие величины радиальных смещений имеют место на внутреннем контуре ЛПО. Чем дальше от оси ствола, тем меньше величины радиальных смещений. Поэтому замораживающие трубы с отклонением к центру ствола имеют большую вероятность разрушения;

— значения радиальных смещений впереди забоя могут достигать значений, превышающих смещения на незакрепленных участках пройденного ствола, что создает опасность разрыва замораживающих колонок впереди забоя;

— расчетные значения относительного прогиба замораживающих колонок составляют 35% от минимального значения предельного относительного прогиба, заданного по рекомендациям Вялова С. С. и Зарецкого Ю. К. в работе [14], и 21% от минимального значения, полученного путем испытания в КГУ. Это объясняет причины отсутствия повреждений замораживающих колонок в главном стволе сецяоской шахты.

Технология промораживания ствола для его безопасной проходки надежна, но нецелесообразна. Предлагаемая конструкция ЛПО без промораживания имеет преимущество.

14. Разработана методика автоматизированного проектирования ЛПО, позволяющая рассчитывать необходимую толщину стенки ледо-породного ограждения по условию прочности замороженных пород и по допустимым значениям смещений внутреннего контура ЛПО [Ив] (или замораживающих колонок [11к]), а также по допустимому отклонению замораживающих колонок от правильного направления [7^] с учетом взаимодействия ЛПО с окружающим массивом, отличающаяся от известных методик возможностью учета отклонения внешнего контура ЛПО от правильной круговой формы и учетом влияния временной крепи ствола, что повышает точность расчетов и надежность принимаемых технологических решений по управлению устойчивостью ЛПО в процессе проходки.

Предлагаемый метод дает большее значение толщины стенки ЛПО или более низкую температуру ЛПО, чем традиционные методы расчета ЛПО, но большую надежность проходки стволов.

15. Ожидаемый экономический эффект от внедрения предлагаемой методики для одного ствола составит 16 300 дол. США.