Напряженно-деформированное состояние бетонной крепи

В стволах рудника Скалистый НГМК глубиной до 1340 м применялась двух-слойная бетонная крепь и тюбинго-бетонная крепь. При этом бетонная крепь применялась как временная. Интервали крепления передовым бетоном достигали 100–120 м, а по–стоянная крепь возводилась снизу вверх. В стволах ВЗС-1 и ВСС-1 диаметрами 8.0 и 6.5 м в качестве постоянной крепи применялись: бетонная оболочка толщиной 30 см и тюбинговая крепь с толщиной спинки 60 мм. При креплении тюбингами вся конструкция представляет собой крепь из двух слоев бетона и тюбингов, а при креплении бетоном - двухслойную бетонную крепь. Исследование напряженно-деформированного состояния таких конструкций производились на 8–ми замерных станциях. Напряжения в передовом бетоне определялись двумя методами. Первый - тензометрические измерения деформаций с момента крепления бетоном. Второй - определение напряжений методом полной разгрузки перед установкой постоянной крепи. В результате натурных наблюдений установлено, что характер деформирования внешней бетонной оболочки зависит, в основном, от состояния околоствольного массива пород: 1 - массив обладает большой крепостью, слаботрещиноватый; 2 - массив раздроблен на отдельные блоки и склонен к вывалам пород при проходке.

В первом случае, из-за незначительных нагрузок, крепь испытывает В основном температурные деформации набухания. Они вызваны разогревом бетона с объемом до 10 м2 при твердении. Температура разогрева достигает величин 50±70 °С.

Графики средних деформаций передового бетона на глубинах 308 и 393 м в стволе ВЗС-1 рудника Скалистый показывают, что бетонная крепь практически не испытывает нагрузок. Во всех направлениях происходит расширение бетона. В вертикальном направлении крепь испытывает некоторое растяжение от собственного веса конструкции. Внутренний слой бетона, который укладывается снизу вверх, на участках с устойчивым околоствольным массивом, тоже испытывает только температурные деформации.

В массиве раздробленных пород деформирование передового бетона носит другой характер. Рассмотрим это на примере замерной станции, установленной в стволе ВЗС-1 на глубине 825 м.

Расширение бетона в конструкции при его твердении приводит к предварительному напряжению конструкции. В радиальном сечении предварительное напряжение в большей степени происходит на контакте с породой, т.к. она жестко препятствует расширению бетона. Эффективность предварительного напряжения можно повысить увеличением времени твердения бетона в заходке, но это приводит к уменьшению скорости проходки. Предлагается оптимизировать этот процесс, исходя из сложности геологических условий на контакте крепь-порода.

Измерение деформаций внешней оболочки методом полной разгрузки производилось перед закреплением внутреннего слоя. Таких измерений было проведено на 8-ми замерных станциях, в стволах ВСС-1 и ВЗС-1, на глубинах до 1200 м. Диаграммы соответствующих тангенциальных напряжений приведены на рис. 3б. Видно, что на некоторых глубинах напряжения достигли предельных для класса бетона В-35 величин. Например, на глубине 1199 м (ствол ВСС-1) тангенциальные напряжения составили 27.5 МПа, т.е. внешняя бетонная оболочка была близка к разрушению. Таким образом, применение передовой бетонной крепи возможно при оптимальных величинах заходки, которая в каждом конкретном случае зависит от характеристик околоствольных пород.

Натурными наблюдениями установлено, что в наиболее раздробленных интервалах околоствольных пород, внутренний слой крепи испытывает значительные напряжения. Например, в стволе ВЗС-1 на глубине 1035 м тангенциальные напряжения в передовом бетоне достигали 23 МПа, на этой же глубине тангенциальные напряжения в спинке тюбингов составили в среднем 106 МПа. Расчет показывает, что нагрузки на внешнюю оболочку при ее раздельном нагружении составили Рн = 2.3 МПа.

Опыт длительных натурных наблюдений в стволах показывает, что диагностика бетонной крепи значительно труднее, чем тюбинговой.