ДонНТУ>
Портал магістрів ДонНТУ
В даний час у структурі запасів органічного палива в світі та в Україні домінуюче становище займає вугілля. Очевидно, що економічний розвиток нашої країни в значній мірі залежить від стану паливно-енергетичного комплексу в цілому і вугільної промисловості зокрема. Передбачені енергетичною стратегією України заходи з реконструкції діючих та будівництва нових вугільних шахт неможливі без споруди капітальних гірничих виробок, серед яких особливе місце за функціональною значимістю та технологічної специфіки займають вертикальні стволи різного призначення. Від експлуатаційної надійності стволів у великій мірі залежить ритмічність і економічність роботи шахт.
Однією з найважливіших завдань при будівництві стовбурів залишається підвищення економічності, технологічності та надійності їх кріплення. У загальному комплексі гірських виробок сучасної шахти на частку стволів припадає до 30% вартості, а витрати на кріплення при проходці стовбурів - до 80% їх вартості. Аналіз показує, що збільшення товщини найбільш поширеною на практиці монолітній бетонній кріплення на 10 см призводить до зростання вартості ствола на 15%, а витрати бетону - на 30%. Використання ж інших видів кріплення, як правило, призводить до ще більш значного збільшення вартості. У зв'язку з переходом гірничих робіт на Донбасі на глибини до 1400 м, збільшенням проектної несучої здатності кріплення в 2 рази, в 1,5 ... 2,5 рази зросли витрати на матеріали кріплення та трудомісткість робіт з кріплення стволів. Незважаючи на це, в даний час кріплення половини діючих стволів вимагає термінового ремонту.
Таким чином, на сьогоднішній день існує гостра необхідність-тість пошуку шляхів вдосконалення науково-технічної бази будівництва вертикальних стволів у напрямку зменшення витрат матеріальних ресурсів, найважливішим з яких є матеріал кріплення. Таким чином, в даній роботі вирішується актуальна науково-технічна задача.
Мета роботи полягає в обгрунтуванні ефективних параметрів монолітного бетонного кріплення вертикальних стволів.
Завдання досліджень:
• зробити аналіз літературних джерел за темою даної роботи;
• провести лабораторні експерименти по встановленню залежностей, що характеризують вплив прігрузок на міцність тверднучого бетон класів В20, В25, В30 з добавками для прискорення схоплювання;
• провести комп'ютерне моделювання геомеханічних процесів в околиці привибійної частини при проходці стовбура в різних гірничо-геологічних умовах;
• на підставі проведених досліджень розробити рекомендації по оптимальному вибору товщини бетонної крепі і класу бетону при проходці стовбура в різних гірничо-геологічних умовах;
Передбачувана наукова новизна роботи полягає у встановленні залежностей, що характеризують вплив гірського тиску на міцність тверднучого бетону класів В20, В25, В30 з добавками для прискорення схоплювання.
Передбачувана практична цінність полягає в розробці рекомендацій з оптимального вибору товщини бетонної крепі і класу бетону при проходці стовбура в різних гірничо-геологічних умовах.
В даний час, завдяки дослідженнями фахівців Слухаючи, НІІОМШС, УкрНДМІ, НІІГМ ім. М.М. Федорова, ДонВУГІ, ІГТМ та ДонФТІ НАН України, НіГрі, НГУ, ДонНТУ, КрТУ, МДГУ, СпГГІ, ЮрГТУ, ТулГУ, геологічними і проектними («Днепрогіпрошахт», «Донгіпрошахт», «Південдіпрошахт», «ПромбудНДІпроект») і багатьох інших організацій створена науково-технічна база, яка забезпечила реальний прогрес у питаннях проектування, проходки, застосування різних видів кріплень стовбурів, вибору заходів їх охорони і захисту з метою забезпечення безпечної експлуатації. Вирішенню проблеми підвищення ефективності споруди, охорони і експлуатації стволів присвятили свої роботи багато вчених країн колишнього СРСР: Х.І. Абрамсон, А.Д. Алексєєв, І.В. Баклашов, Ф.А. Белаенко, В.Г. Березанцев, В.І. Бондаренко, А.А. Борисов, В.А. Борісовец, С.В. Борщівський, М.П. Бродський, А.В. Будник, А.Ф. Булат, Ю.І. Бурчак, Н.С. Буличов, Ю.А. Веселов, В.В. Виноградов, Н.Г. Гаркуша, А.Г. Гузєєв, О.С. Докукін, В.А. Дрібан, В.Ф. Дробишев, В.П. Друцьке, Г.В. Євтушенко, А.М. Задорожний, Ю.З. Заславський, О.М. Зорін, Е.В. Казакевич, Б.А. Картозія, Е.Я. Кіпко, Г.І. Кравченко, А.М. Козел, І.Г. Косков, К.В. Кошелєв, Г.А. Крупенніков, С.Б. Кулібаба, А.П. Максимов, В.В. Левит, І.Г. Манец, Є.М. Маргуліс, І.Ф. Озеров, Ю.А. Онищенко, Л.Я. Парчевський, В.П. Паршінцев, Є.В. Петренко, Г.С. Піньковскій, Н.М. Покровський, Ю.А. Полозов, В.А. Прагер, А.Ю. Прокопов, Є.Т. Проявкін, І.В. Родін, В.М. Рева, А.А. Репко, К.В. Руппенейт, І.А. Садовенко, Ю.Д. Снєгірьов, В.К. Стеблина, І.С. Стоєв, С.Г. Страданченко, Р.А. Тюркян, Б.М. Усаченко, Н.А. Філатов, М.М. Фотіева, О.М. Шашенко, І.А. Южанин, П.І. Ягодкіна, А.М. Янчур і багато інших. Великий внесок у розробку зазначених завдань внесли зарубіжні-бажаних вчені Н. Бартон, М. Белл, Х. Брауні, А. Віхур, Лабасс, Х. Кетті-лер, Ф. Мор, Ф. Олд, Г. Таффі, К. Терцагі , Д. Тірзе, Я. Фармер, Р. Феннер, М. Худек, Г. Шпікернагель і багато інших.
Питанню вдосконалення технології спорудження стовбурів у вітчизняній і зарубіжній гірській літературі завжди приділялася підвищена увага. Різноманіття шляхів вирішення даної задачі цілком відображено в роботах, виконаних в останні десять років.
По даній тематиці тільки співробітниками кафедри СШ і ПС ДонНТУ з 1999 по 2009 рр.. захищено 2 докторських, 5 кандидатських дисертацій, виконано 2 НДР.
Можна виділити такі основні напрямки (в силу дуже значи-ного кількості друкованих робіт з даної тематики наводимо посилання тільки на автореферати дисертацій)
• геомеханічних основ розробки і вибору комбінованих способів кріплення вертикальних стовбурів у структурно неоднорідних породах (проф. В. В. Левіт [1], 1999 р.);
• фізико-технічні та організаційні основи інтенсивних технологій спорудження стовбурів в умовах підвищеної водоносність породного масив (проф. С. В. Борщевський [2], 2008 р.);
• обгрунтування параметрів комбінованої технології (зі свердловиною) проходки вертикальних стволів (проф. С. В. Борщевський [3], 2001 р.);
• обгрунтування параметрів анкерно-бетонного кріплення при спорудженні сполучень вертикальних стволів вугільних шахт (доц. О. О. Бородуля [5], 2002 р.);
• підвищення ефективності буропідривних робіт при проходці вертикальних стволів (доц. Купенко І.В. [6], 2004 р, доц. Рубльова О.І. [7], 2008 р.);
• вдосконалення технології спорудження набризк-бетонного кріплення при проходці вертикальних стволів (доц. Хоменчук О.В. [8], 2006 р.).
Серйозну увагу цій проблемі традиційно приділяється співробітниками ШИ (ф) ЮрГТУ (НПІ). Можна виділити наступні шляхи рішень вищезгаданої завдання (в силу дуже значної кількості друкованих робіт з даної тематики наводимо посилання тільки на автореферати дисертацій, виконаних в останні роки):
• вдосконалення конструкцій і технології спорудження армування вертикальних стволів (П. І. Ягодкіна, С. Г. Страданченко, А. Ю. Прокопов, М. С. Плешко, М. В. Прокопова, Р. О. Саакян, А. А. Богомазов та ін [9-14]);
• вдосконалення технології спорудження вертикальних стволів за рахунок обгрунтування та вибору раціональних параметрів паралельної технологічної схеми (І. Н. Кокунько [15]);
• вдосконалення конструкцій кріплення та технології кріплення вертикальних стволів (П. І. Ягодкіна, С. П. Сиркін, С. А. Масленников та ін [9, 16, 17]).
Вивченню геомеханічних процесів, що протікають у вміщають стовбур породах, питань охорони стовбурів, обгрунтуванню методик розрахунків різних видів кріплення стовбура присвячені тисячі друкованих праць співробітників ІГТМ НАН України (В. Т. Глушко, А. Ф. Булат, Б. М. Усаченко, В. В. Виноградов, І. І. Ваганов, А. М. Зорін та ін); Слухаючи (Г. О. Крупенніков, Н. С. Буличов, А. М. Козел, В. М. Рева, А.А. Репко та ін); НГУ (А. П. Максимов, Л. Я. Парчевський, О. М. Шашенко та ін), ТулГУ (Н. С. Буличов, Н. М. Фотіева, А. С. Саммаль і ін) та багатьох інших.
Як видно навіть з цього невеликого огляду, бібліографія з проблеми кріплення стовбурів нараховує в даний час величезна кількість робіт, що обумовлено надзвичайно важливістю і складністю проблеми.
Далі розглянемо сучасний стан технологій проходки і кріплення вертикальних стволів, що використовуються у вітчизняній практиці.
Як відомо, послідовність і взаємозв'язок у часі та просторі виконання основних технологічних процесів, що становлять прохідницький цикл, і армування стовбура називається технологічною схемою будівництва стовбура. Класифікація існуючих технологічних схем проходки [18-19] наведена на рис. 1.
Основні положення, що характеризують технологічні схеми, наведено в табл. 1.
Слід зазначити, що за останні роки близько 98% усіх стволів у нашій країні проходив по сполученою схемою. Найімовірніше, дана схема залишиться найбільш часто застосовується в найближчі роки. Її основні переваги: всі роботи ведуться концентровано у вибої ствола, що спрощує організацію і підвищує безпеку робіт; стовбур закріплений майже аж до грудей вибою постійної кріпленням, тим самим підвищується безпека робіт, немає необхідності встановлювати тимчасову кріплення або щит-оболонку; забезпечується висока механізація основних технологічних процесів; спрощується оснащення забою і поверхні, а також знижуються витрати і час на оснащення.
Найбільш істотний недолік даної схеми полягає в тому, що набір міцності бетонної суміші відбувається в складних гірничо-геологічних умовах в привибійній просторі під час перерозподілу гірського тиску та інтенсивного зсуву породних стінок.
Найбільш часто в даний час в якості постійного кріплення іс-користується монолітна бетонне кріплення, питома обсяг застосування якої становить до 90% від загального обсягу кріплення стволів.
Монолітна бетонне кріплення успішно застосовується для кріплення протяжних ділянок стовбурів в породах стійких, середньої стійкості і нестійких при відсутності впливу очисних робіт, сусідніх виробок та інших факторів.
Переваги монолітної крепі: мінімальна кількість швів; сприятливі умови для провітрювання (коефіцієнт аеродинамічного опору в 4 рази менше, ніж при штучних кріплять); добрий зв'язок з оточуючими породами, немає необхідності спорудження опорних вінців на протяжних ділянках стовбурів; технологічність зведення, висока механізація прохідницьких робіт (до 85% всіх робіт механізоване); відносно низька вартість, можливість використання місцевих матеріалів (пісок, щебінь), великий термін служби і вогнестійкість. Найбільш поширеним бетоном у вітчизняній практиці кріплення стовбурів є важкий бетон класу В15.
Одним з головних недоліків даної крепі є повільний набір міцності бетоном. На практиці для прискорення схоплювання і процесів твердіння бетонної суміші застосовують хлорид кальцію (СаСl2), рідше сульфат натрію (Na2SO4), нітрат кальцію (Ca (NO3) 2? 4H2O).
Як було зазначено вище, витрати на кріплення при проходці стовбурів дуже істотні і можуть досягати 80% їх вартості, збільшення товщини найбільш поширеною на практиці монолітній бетонній кріплення на 10 см призводить до зростання вартості ствола на 15%, а витрати бетону - на 30%. Використання ж інших видів кріплення, як правило, призводить до ще більш значного збільшення вартості. Таким чином, зменшення товщини бетонної крепі може призвести до вельми істотного зниження вартості спорудження стовбура. Дане припущення для умов проходок декількох стовбурів Східного Донбасу підтверджено в роботі [16], де отримана така залежність:
де С - кошторисна вартість спорудження стовбура, руб.;
D – діаметр ствол у чорні, м;
f – міцність вміщаючих ствол порід за шкалою проф. М.М. Протодьяконова;
Qсж – товщина кріплення, мм.
Згідно [20], товщину кріплення можна визначити за формулою:
де my – коефіцієнт умов роботи крепі, рівний 1,25;
ro – радіус ствола, м;
yb2, yb3, yb6 – відповідно коефіцієнти, що враховують тривалість дії навантаження, умови для наростання міцності і температурні коливання;
RВ – розрахунковий опір бетону стисканню, що приймається відповідно до СНіП на проектування бетонних і залізобетонних конструкцій, МПа;
кр – коефіцієнт концентрації напружень в конструкції кріплення, що приймається рівним 1 на протяжних ділянках стовбура;
ббп – товщина породобетонной оболонки, що утворюється за рахунок проникнення бетону в навколишні зовнішні породи: для набризгбетона приймається рівною 50 мм, для інших типів кріплення - рівною нулю;
Рп – розрахункова максимальне навантаження на кріплення від тиску порід, МПа;
де n – коефіцієнт нерівномірності навантажень;
Рс – середня радіальна навантаження на кріплення, МПа;
де w - нормативний коефіцієнт нерівномірності навантажень;
де Рн – нормоване навантаження, МПа;
де A – параметр технології спорудження стовбура;
С – величина критерію стійкості порід;
де к1 – коефіцієнт приведення до еквівалентної глибині;
к2 – коефіцієнт впливу інших виробок;
к3 – коефіцієнт, що враховує напружений стан масиву;
к4 – коефіцієнт впливу кута залягання порід;
Rc – розрахункова міцність порід;
де R – межа міцності породи на одновісний стиск, МПа;
кс – коефіцієнт структурного ослаблення;
кд – коефіцієнт тривалої міцності.
Аналіз залежностей показує, що міцність бетону на стиск надає визначальний вплив на товщину кріплення. Так навіть при середніх глибинах, вельми міцних породах і широко застосовуваний класі бетоні для кріплення стовбурів бетоном класу В15, товщина кріплення досягає 0,4 м, а при більш низьких марках перевищує 0,5 м, що не рекомендується СНиП II-94-80. Зі збільшенням ж класу бетону до В30 товщина кріплення знижується до 0,2 м, що є мінімальною величиною товщини крепі за технологією укладання бетону за опалубку.
Зі зміною міцності вміщуючих порід від від 10 до 40 МПа при бетоні класу В15 і тій же глибині стовбура товщина кріплення знижується в залежності від діаметра стовбура з 0,45 ... 0,65 до 0,5 ... 0,35 м.
Таким чином, використання для кріплення стовбура бетонів більш високих ніж В15 марок може за інших рівних умов сприяти зниженню вартості спорудження стовбура.
Дослідженнями [20] встановлено, що взаємодія системи «бетонне кріплення-порода» у часі поділяються на два періоди. Перший характеризується інтенсивним зростанням зміщень порід і навантажень на кріплення; другий - порівняно повільним збільшенням зміщень і навантажень. У роботі ж [16] показано, що при поєднанні технологічною схемою проходки ствола, що передбачає зведення бетонної крепі слідом за посування вибою, процес твердіння бетону поєднується з першим періодом. При цьому, чим вище швидкість посування вибою ствола, тим більш інтенсивному зведення гірського тиску посувається бетон крепі в ранньому віці твердіння. Під впливом виникаючих напруг в тверднучому матеріалі відбувається розвиток пластичних деформацій та повзучості, які в цілому не руйнуючи конструкцію, призводять до розриву кристалічних зв'язків та утворення дислокацій, що знижує кінцеву міцність тверднучого матеріалу.
Автором [16] була зроблена оцінка негативного впливу гірського тиску на бетон (В15) кріплення на ранніх етапах твердіння. Для цього були проведені випробування зразків з В15 у віці 1, 3 та 7 діб з вантажем 10, 30, 50, 70 і 90% від міцності контрольного зразка. На підставі опрацювання даних експерименту були отримані залежності, що характеризують зміна міцнісних властивостей бетону В15 від величини привантаження з плином часу.
З огляду на вищесказане, нам видається доцільним проведення додаткових серій експериментів з використанням бетонів марок В20, В25 і В30 і декількох видів прискорювачів схоплювання, відповідно до ГОСТ 10180-90 і ГОСТ 24211-03 з метою отримання аналогічних [16] залежностей.
Використання результатів цих експериментів дозволить адекватно задати фізико-механічні характеристики твердіючих крепі в привибійної частини для подальшого комп'ютерного моделювання геомеханічних процесів в околиці привибійної частини стовбура.
Результати лабораторних експериментів і комп'ютерного моделювання дозволять сформулювати рекомендації щодо вибору оптимальних параметрів бетонної крепі (товщини і класу бетону) при проходці стовбура в заданих гірничо-геологічних умовах.
Як показав проведений огляд літературних джерел, на цього-дняшній день недостатньо повно вивчено вплив гірського тиску на міцнісні характеристики кріплення з тверднучого бетону класів В20, В25, В30 з різними добавками для прискорення схва-тиванія.
Результати мають складатися в успішному вирішенні сформульованих вище завдань досліджень, що забезпечить досягнення поставленої в даній роботі мети.
У результаті аналізу літературних джерел визначені мета і завдання даної магістерської роботи.
Встановлено залежності, що характеризують вплив прігрузок на міцність тверднучого бетон класів В20, В25, В30 з добавками для прискорення схоплювання;
Отримані залежності та результати комп'ютерного моделювання геомеханічних процесів в околиці привибійної частини дозволили сформулювати рекомендації по оптимальному вибору товщини бетонної крепі і класу бетону при проходці стовбура в різних гірничо-геологічних умовах.