ДонНТУ >
Портал магистров ДонНТУ
В настоящее время в структуре запасов органического топлива в мире и в Украине доминирующее положение занимает уголь. Очевидно, что экономическое развитие нашей страны в значительной степени зависит от состояния топливно-энергетического комплекса в целом и угольной промышленности в частности. Предусмотренные энергетической стратегией Украины мероприятия по реконструкции действующих и строительству новых угольных шахт невозможны без сооружения большого объема капитальных горных выработок, среди которых особое место по функциональной значимости и технологической специфике занимают вертикальные стволы различного назначения. От эксплуатационной надежности стволов в большой степени зависит ритмичность и экономичность работы шахт.
Одной из важнейших задач при строительстве стволов остается повышение экономичности, технологичности и надежности их крепления. В общем комплексе горных выработок современной шахты на долю стволов приходится до 30% стоимости, а затраты на крепление при проходке стволов – до 80% их стоимости. Анализ показывает, что увеличение толщины наиболее распространенной на практике монолитной бетонной крепи на 10 см приводит к росту стоимости ствола на 15%, а расхода бетона – на 30%. Использование же других видов крепи, как правило, приводит к еще более значительному увеличению стоимости. В связи с переходом горных работ в Донбассе на глубины до 1400 м, увеличением проектной несущей способности крепи в 2 раза, в 1,5…2,5 раза возросли затраты на материалы крепи и трудоемкость работ по креплению стволов. Несмотря на это, в настоящее время крепь половины действующих стволов требует срочного ремонта.
Таким образом, на сегодняшний день существует острая необходи-мость поиска путей совершенствования научно-технической базы строительства вертикальных стволов в направлении уменьшения затрат материальных ресурсов, важнейшим из которых является материал крепи. Таким образом, в данной работе решается актуальная научно-техническая задача.
Цель работы состоит в обосновании эффективных параметров монолитной бетонной крепи вертикальных стволов.
Задачи исследований:
• произвести анализ литературных источников по теме данной работы;
• провести лабораторные эксперименты по установлению зависимостей, характеризующих влияние пригрузок на прочность твердеющего бетон классов В20, В25, В30 с добавками для ускорения схватывания;
• провести компьютерное моделирование геомеханических процессов в окрестности призабойной части при проходке ствола в различных горно-геологических условиях;
• на основании проведенных исследований разработать рекомендации по оптимальному выбору толщины бетонной крепи и класса бетона при проходке ствола в различных горно-геологических условиях;
Предполагаемая научная новизна работы состоит в установлении зависимостей, характеризующих влияние горного давления на прочность твердеющего бетона классов В20, В25, В30 с добавками для ускорения схватывания.
Предполагаемая практическая ценность состоит в разработке рекомендаций по оптимальному выбору толщины бетонной крепи и класса бетона при проходке ствола в различных горно-геологических условиях.
В настоящее время, благодаря исследованиями специалистов ВНИМИ, НИИОМШС, УкрНИМИ, НИИГМ им. М.М. Федорова, ДонУГИ, ИГТМ и ДонФТИ НАН Украины, НИГРИ, НГУ, ДонНТУ, КрТУ, МГГУ, СпГГИ, ЮрГТУ, ТулГУ, геологическими и проектными («Днепрогипрошахт», «Донгипрошахт», «Южгипрошахт», «ПромстройНИИпроект») и многих других организаций создана научно-техническая база, которая обеспечила реальный прогресс в вопросах проектирования, проходки, применения различных видов крепей стволов, выбора мер их охраны и защиты в целях обеспечения безопасной эксплуатации. Решению проблемы повышения эффективности сооружения, охраны и эксплуатации стволов посвятили свои работы многие ученые стран бывшего СССР: Х.И. Абрамсон, А.Д. Алексеев, И.В. Баклашов, Ф.А. Белаенко, В.Г. Березанцев, В.И. Бондаренко, А.А. Борисов, В.А. Борисовец, С.В. Борщевский, М.П. Бродский, А.В. Будник, А.Ф. Булат, Ю.И. Бурчаков, Н.С. Булычев, Ю.А. Веселов, В.В. Виноградов, Н.Г. Гаркуша, А.Г. Гузеев, О.С. Докукин, В.А. Дрибан, В.Ф. Дробышев, В.П. Друцко, Г.В. Евтушенко, А.М. Задорожный, Ю.З. Заславский, А.Н. Зорин, Э.В. Казакевич, Б.А. Картозия, Э.Я. Кипко, Г.И. Кравченко, А.М. Козел, И.Г. Косков, К.В. Кошелев, Г.А. Крупенников, С.Б. Кулибаба, А.П. Максимов, В.В. Левит, И.Г. Манец, Е.М. Маргулис, И.Ф. Озеров, Ю.А. Онищенко, Л.Я. Парчевский, В.П. Паршинцев, Е.В. Петренко, Г.С. Пиньковский, Н.М. Покровский, Ю.А. Полозов, В.А. Прагер, А.Ю. Прокопов, Е.Т. Проявкин, И.В. Родин, В.Н. Рева, А.А. Репко, К.В. Руппенейт, И.А. Садовенко, Ю.Д. Снегирев, В.К. Стеблина, И.С. Стоев, С.Г. Страданченко, Р.А. Тюркян, Б.М. Усаченко, Н.А. Филатов, Н.Н. Фотиева, А.Н. Шашенко, И.А. Южанин, Ф.И. Ягодкин, А.М. Янчур и многие другие. Большой вклад в разработку указанных задач внесли зару-бежные ученые Н. Бартон, М. Белл, Х. Брауне, А. Вихур, Лабасс, Х. Кетте-лер, Ф. Мор, Ф. Олд, Г. Таффе, К. Терцаги, Д. Тирзе, Я. Фармер, Р. Феннер, М. Худек, Г. Шпикернагель и многие другие.
Вопросу совершенствования технологии сооружения стволов в отечественной и зарубежной горной литературе всегда уделялось повышенное внимание. Многообразие путей решения данной задачи вполне отражено в работах, выполненных в последние десять лет.
По данной тематике только сотрудниками кафедры СШ и ПС ДонНТУ с 1999 по 2009 гг. защищено 2 докторских, 5 кандидатских диссертаций, выполнено 2 НИР.
Можно выделить такие основные направления (в силу весьма значи-тельного количества печатных работ по данной тематике приводим ссылки только на авторефераты диссертаций):
• геомеханических основ разработки и выбора комбинированных способов крепления вертикальных стволов в структурно неоднородных породах (проф. В.В. Левит [1], 1999 г.);
• физико-технические и организационные основы интенсивных технологий сооружения стволов в условиях повышенной водоносности породного массив (проф. С.В. Борщевский [2], 2008 г.);
• обоснование параметров комбинированной технологии (со скважиной) проходки вертикальных стволов (проф. С.В. Борщевский [3], 2001 г.);
• обоснование параметров анкерно-бетонной крепи при сооружении сопряжений вертикальных стволов угольных шахт (доц. А.А. Бородуля [5], 2002 г.);
• повышение эффективности буровзрывных работ при проходке вертикальных стволов (доц. Купенко И.В. [6], 2004 г, доц. Рублева О.И. [7], 2008 г.);
• совершенствование технологии сооружения набрызг-бетонной крепи при проходке вертикальных стволов (доц. Хоменчук О.В. [8], 2006 г.).
Серьезное внимание данной проблеме традиционно уделяется сотрудниками ШИ (ф) ЮрГТУ (НПИ). Можно выделить следующие пути решений вышеупомянутой задачи (в силу весьма значительного количества печатных работ по данной тематике приводим ссылки только на авторефераты диссертаций, выполненных в последние годы):
• совершенствование конструкций и технологии сооружения армировки вертикальных стволов (Ф. И. Ягодкин, С.Г. Страданченко, А.Ю. Прокопов, М.С. Плешко, М.В. Прокопова, Р.О. Саакян, А.А. Богомазов и др. [9-14]);
• совершенствование технологии сооружения вертикальных стволов за счет обоснования и выбора рациональных параметров параллельной технологической схемы (И.Н. Кокунько [15]);
• совершенствование конструкций крепи и технологии крепления вертикальных стволов (Ф.И. Ягодкин, С.П. Сыркин, С.А. Масленников и др. [9, 16, 17]).
Изучению геомеханических процессов, протекающих во вмещающих ствол породах, вопросов охраны стволов, обоснованию методик расчетов различных видов крепи ствола посвящены тысячи печатных работ сотрудников ИГТМ НАН Украины (В.Т. Глушко, А.Ф. Булат, Б.М. Усаченко, В.В. Виноградов, И.И. Ваганов, А.Н. Зорин и др.); ВНИМИ (Г.А. Крупенников, Н.С. Булычев, А.М. Козел, В.Н. Рева, А.А. Репко и др.); НГУ (А.П. Максимов, Л.Я. Парчевский, А.Н. Шашенко и др.), ТулГУ (Н.С. Булычев, Н.Н. Фотиева, А.С. Саммаль и др.) и многих других.
Как видно даже из этого небольшого обзора, библиография по проблеме крепления стволов насчитывает в настоящее время огромное число работ, что обусловлено чрезвычайно важностью и сложностью проблемы.
Далее рассмотрим современное состояние технологий проходки и крепления вертикальных стволов, используемых в отечественной практике.
Как известно, последовательность и взаимосвязь во времени и про-странстве выполнения основных технологических процессов , составляющих проходческий цикл, и армирование ствола называется технологической схемой строительства ствола. Классификация существующих технологических схем проходки [18-19] приведена на рис. 1.
Основные положения, характеризующие технологические схемы, приведены в табл. 1.
Следует отметить, что за последние годы около 98% всех стволов в нашей стране проходилось по совмещенной схеме. Вероятнее всего, данная схема останется наиболее часто применяемой в ближайшие годы. Ее основные достоинства: все работы ведутся концентрировано в забое ствола, что упрощает организацию и повышает безопасность работ; ствол закреплен почти до самой груди забоя постоянной крепью, тем самым повышается безопасность работ, нет необходимости устанавливать временную крепь или щит-оболочку; обеспечивается высокая механизация основных технологических процессов; упрощается оснащение забоя и поверхности, а также снижаются затраты и время на оснащение.
Наиболее существенный недостаток данной схемы состоит в том, что набор прочности бетонной смеси происходит в сложных горно-геологических условиях в призабойном пространстве во время перераспределения горного давления и интенсивного смещения породных стенок.
Наиболее часто в настоящее время в качестве постоянной крепи ис-пользуется монолитная бетонная крепь, удельный объем применения которой составляет до 90% от общего объема крепления стволов.
Монолитная бетонная крепь успешно применяется для крепления протяженных участков стволов в породах устойчивых, средней устойчивости и неустойчивых при отсутствии воздействия очистных работ, соседних выработок и других факторов.
Достоинства монолитной крепи: минимальное количество швов; благоприятные условия для проветривания (коэффициент аэродинамического сопротивления в 4 раза меньше, чем при штучных крепях); хорошая связь с окружающими породами, нет необходимости сооружения опорных венцов на протяженных участках стволов; технологичность возведения, высокая механизация проходческих работ (до 85% всех работ механизировано); относительно низкая стоимость, возможность использования местных материалов (песок, щебень); большой срок службы и огнестойкость. Наиболее распространенным бетоном в отечественной практике крепления стволов является тяжелый бетон класса В15.
Одним из главных недостатков данной крепи является медленный набор прочности бетоном. На практике для ускорения схватывания и процессов твердения бетонной смеси применяют хлорид кальция (СаСl2), реже сульфат натрия (Na2SO4), нитрат кальция (Ca(NO3)2?4H2O).
Как было указано выше, затраты на крепление при проходке стволов весьма существенны и могут достигать 80% их стоимости, увеличение толщины наиболее распространенной на практике монолитной бетонной крепи на 10 см приводит к росту стоимости ствола на 15%, а расхода бетона – на 30%. Использование же других видов крепи, как правило, приводит к еще более значительному увеличению стоимости. Таким образом, уменьшение толщины бетонной крепи может привести к весьма существенному снижению стоимости сооружения ствола. Данное предположение для условий проходок нескольких стволов Восточного Донбасса подтверждено в работе [16], где получена такая зависимость:
где С – сметная стоимость сооружения ствола, руб.;
D – диаметр ствола вчерне, м;
f – крепость вмещающих ствол пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова;
Qсж – толщина крепи, мм.
Согласно [20], толщину крепи можно определить по формуле:
где my – коэффициент условий работы крепи, равный 1,25;
ro – радиус ствола в свету, м;
yb2, yb3, yb6 – соответственно коэффициенты, учитывающие длительность действия нагрузки, условия для нарастания прочности и температурные колебания;
RВ – расчетное сопротивление бетона сжатию, принимаемое в соответствии со СНиП на проектирование бетонных и железобетонных конструкций, МПа;
кр – коэффициент концентрации напряжений в конструкции крепи, принимаемый равным 1 на протяженных участках ствола;
ббп – толщина породобетонной оболочки, образующейся за счет проникновения бетона в окружающие наружные породы: для набрызгбетона принимается равной 50 мм, для остальных типов крепи - равной нулю;
Рп – расчетная максимальная нагрузка на крепь от давления пород, МПа;
где n – коэффициент неравномерности нагрузок;
Рс – средняя радиальная нагрузка на крепь, МПа;
где w - нормативный коэффициент неравномерности нагрузок;
где Рн – нормированная нагрузка, МПа;
где A – параметр технологии сооружения ствола;
С – величина критерия устойчивости пород;
где к1 – коэффициент приведения к эквивалентной глубине;
к2 –коэффициент воздействия других выработок;
к3 – коэффициент, учитывающий напряженное состояние массива;
к4 – коэффициент влияния угла залегания пород;
Rc – расчетная прочность пород;
где R – предел прочности породы на одноосное сжатие, МПа;
кс – коэффициент структурного ослабления;
кд – коэффициент длительной прочности.
Анализ зависимостей показывает, что прочность бетона на сжатие оказывает определяющее влияние на толщину крепи. Так даже при средних глубинах, весьма крепких породах и широко применяемом классе бетоне для крепления стволов бетоном класса В15, толщина крепи достигает 0,4 м, а при более низких марках превышает 0,5 м, что не рекомендуется СНиП II-94-80. С увеличением же класса бетона до В30 толщина крепи снижается до 0,2 м, что является минимальной величиной толщины крепи по технологии укладки бетона за опалубку.
С изменением прочности вмещающих пород от от 10 до 40 МПа при бетоне класса В15 и той же глубине ствола толщина крепи снижается в зависимости от диаметра ствола с 0,45...0,65 до 0,5...0,35 м.
Таким образом, использование для крепления ствола бетонов более высоких чем В15 марок может при прочих равных условиях способствовать снижению стоимости сооружения ствола.
Исследованиями [20] установлено, что взаимодействие системы «бетонная крепь-порода» во времени подразделяются на два периода. Первый характеризуется интенсивным ростом смещений пород и нагрузок на крепь; второй – сравнительно медленным увеличением смещений и нагрузок. В работе же [16] показано, что при совмещенной технологической схеме проходки ствола, предусматривающей возведение бетонной крепи вслед за подвиганием забоя, процесс твердения бетона совмещается с первым периодом. При этом, чем выше скорость подвигания забоя ствола, тем более интенсивному возведению горного давления подвигается бетон крепи в раннем возрасте твердения. Под воздействием возникающих напряжений в твердеющем материале происходит развитие пластических деформаций и ползучести, которые в целом не разрушая конструкцию, приводят к разрыву кристаллических связей и образованию дислокаций, что снижает конечную прочность твердеющего материала.
Автором [16] была произведена оценка негативного воздействия горного давления на бетон (В15) крепи на ранних этапах твердения. Для этого были проведены испытания образцов из В15 в возрасте 1, 3 и 7 суток с пригрузом 10, 30, 50, 70 и 90% от прочности контрольного образца. На основании обработки данных эксперимента были получены зависимости, характеризующие изменение прочностных свойств бетона В15 от величины пригрузки с течением времени.
Учитывая вышесказанное, нам представляется целесообразным проведение дополнительных серий экспериментов с использованием бетонов марок В20, В25 и В30 и нескольких видов ускорителей схватывания, в соответствии с ГОСТ 10180-90 и ГОСТ 24211-03 с целью получения аналогичных [16] зависимостей.
Использование результатов этих экспериментов позволит адекватно задать физико-механические характеристики твердеющей крепи в призабойной части для последующего компьютерного моделирования геомеханических процессов в окрестности призабойной части ствола.
Результаты лабораторных экспериментов и компьютерного моделирования позволят сформулировать рекомендации по выбору оптимальных параметров бетонной крепи (толщины и класса бетона) при проходке ствола в заданных горно-геологических условиях.
Как показал проведенный обзор литературных источников, на сего-дняшний день недостаточно полно изучено влияние горного давления на прочностные характеристики крепи из твердеющего бетона классов В20, В25, В30 с различными добавками для ускорения схва-тывания.
Результаты должны состоять в успешном решении сформулированных выше задач исследований, что обеспечит достижение поставленной в данной работе цели.
В результате анализа литературных источников определены цель и задачи данной магистерской работы.
Установлены зависимости, характеризующие влияние пригрузок на прочность твердеющего бетон классов В20, В25, В30 с добавками для ускорения схватывания;
Полученные зависимости и результаты компьютерного моделирования геомеханических процессов в окрестности призабойной части позволили сформулировать рекомендации по оптимальному выбору толщины бетонной крепи и класса бетона при проходке ствола в различных горно-геологических условиях.