Угольная промышленность является одной из ведущих отраслей народного хозяйства Украины. Повышение экономической эффективности капитальных вложений, со-кращение сроков сооружения объектов, улучшение качества и снижение стоимости строительства в промышленности являются важнейшими проблемами современности. Современное развитие предприятий горнодобывающей промышленности, и в частности угольных шахт, характеризуется непрерывным возрастанием проектных мощностей и глубины разработки, высокой капитало- и фондоемкостью. Основная часть капитальных затрат при строительстве и реконструкции шахт и рудников расходуется на сооружение горных выработок. Эти затраты составляют 50…60% общей сметы капитальных вложений. Рост проектных мощностей, переход на строительство шахт со стволами глубиной 1000…1400 м увеличили сметную стоимость промышленного предприятия до 170…200 млн.руб.(в ценах 1984г.), объем горных выработок – до 1 млн.м3 выработок в свету и ди-рективные сроки строительства от 6 до 8 лет, продолжительность строительства и рекон-струкции угольных предприятий в 1,5…2 раза превышает нормативные сроки, что в настоящее время является основной причиной недостаточных темпов развития Донецкого бассейна и роста объемов незавершенного строительства [1-6].
Строительство вертикальных стволов является одним из наиболее сложных, продолжительных, дорогостоящих и трудоемких процессов в комплексе работ по строительству шахты. Если оценивать динамику развития технико-экономических показателей строительства вертикальных стволов в бывшем СССР и Украине, следует отметить, что в течение последних 30 лет существенного улучшения их не наблюдается, несмотря на от-дельные бесспорные практические, научно-технические и проектно-конструкторские достижения.
Из сказанного вытекает актуальная необходимость выполнения системного анализа развития строительства вертикальных стволов в бывшем СССР, исследования структуры применяемых технологий, их основных параметров, закономерностей, влияние их на конечные результаты с целью определения основных направлений совершенствования технологии строительства.
Фундаментальные исследования последних лет в сфере механики горных пород и подземных сооружений позволяют утверждать, что поиск и разработка новых решений по креплению шахтных стволов и увеличению темпов их проходки должны осуществляться в первую очередь не за счет повышения материалоемкости и несущей способности крепи, а главным образом, за счет создания комбинированных охранных конструкций стволов, ко-торые бы обеспечивали общесистемное управляемое воздействие регулятивными средствами на повышение несущей способности пород и крепи, увеличивали гидрозащиту ство-лов, имели бы субоптимальные параметры и снижали бы неравномерные асимметричные нагрузки на стволы[1-5].
Анализ состояния техники и технологии в этом плане показывает, что теоретиче-ское обобщение и разработка геомеханических и гидрогеологических основ создания и технологических решений использования комбинированных способов крепления верти-кальных стволов угольных шахт, которые проходятся в структурно неоднородных породных массивах, являются актуальной научно-технической проблемой. В связи с чрезвычай-но большим многообразием горно-геологических и горнотехнических условий научная база и уровень проработки и решение отмеченных выше вопросов весьма не одинаковы для разных условий. Одной из основных причин неудовлетворительного положения ве-щей есть недостаточное развитие общих концептуальных представлений о механизмах формирования напряженно-деформированного состояния приствольного массива и пове-дения системы "крепление-массив" на протяжении всего периода эксплуатации шахтных стволов в условиях повышенных водопритоков, который позволял б целеустремленно разрабатывать и использовать разные способы и средства обеспечения их устойчивости в сложных условиях.
Таким образом, исследования, направленные на изучение механизмов формирования и эволюции напряженно-деформированного состояния приствольного массива и кре-пления шахтных стволов, которые нагружаются во времени для обеспечения их безремонтной эксплуатации являются актуальной научно-практической задачей, которая имеет важное народнохозяйственное значение. Решению этой задачи, имеющей важное практическое значение, и посвящена эта магистерская работа.
Объект исследования – вертикальные стволы угольных шахт в условиях повышенных водопритоков. Предмет исследования – высокопрочная гидростойкая бетонная крепь вертикальных стволов угольных шахт, сооружаемых в неоднородном породном массиве.
Идея данной работы заключается в улучшении гидроизоляционных свойств бетонной крепи вертикального ствола для уменьшения вывалообразования и увеличения сроков ее безремонтной эксплуатации.
Цель и задачи исследований. Целью магистерской работы является в разработка научно обоснованных методов проектирования и организации проходки вертикальных стволов шахт в условиях повышенной водоносности породного массива на основе установления зависимостей параметров постоянного крепления с учетом комплексного под-хода к вопросу взаимодействия крепи и массива приконтурных горных пород.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и будут решены такие задачи:
1. Выполнить системный анализ развития техники и строительства вертикальных стволов в горнодобывающей промышленности бывшего СССР и на его основе определить влияние применяемых технологий и их структур на динамику развития основных технико-экономических показателей, наличие закономерно-стей и корреляционных связей между ними;
2. Разработать методику исследования закономерностей и определить характер влияния технологии на продолжительность и удельную стоимость работ;
3. Разработать научно обоснованные технологические приемы, повышающие гидростойкость бетонной крепи стволов и вмещающего ствол массива, разработать эффективные методы водоподавления с использованием нового оборудования и материалов на местном сырье;
4. Исследовать закономерности взаимодействия системы «крепь – породный массив» в вертикальных стволах угольных шахт с учетом водопритоков, неоднородности массива пород, типов крепи;
5. Оценить влияние водонасыщенного массива на крепь в зависимости от ее конст-рукции, технологии и темпов проходки, исследовав системы «крепь ствола – вода – породный масив» в сложноструктурных водонасыщенных породах;
6. Обобщить результаты исследований и установить наиболее рациональные и дешевые направления их реализации.
Научная новизна работы:
– Впервые на основе систематизации и обобщения информации о технологических геологогеомеханических условиях проходки и крепления вертикальных стволов угольных шахт в водонасыщенных многослойных породах выполнено экспериментальное обоснование и практическое решение комплекса вопросов, необходимых для разра-ботки и создания в специфических условиях процесса сооружения вертикальных стволов новых технологических схем и технологических моделей, новой оценки качества формирования структуры различных технологических схем и степени экономической эффективности интенсификации строительно-монтажных работ за счет улучшения технологии.
– Установлены закономерности и особенности взаимодействия системы «крепь ствола – вода – породный массив», которые учитывают влияние структурной и прочно-стной неоднородности пород, горно-технологические факторы, что использовано для соз-дания научно-технических принципов комбинированных способов крепления и выбора наиболее рациональных сочетаний основного крепления стволов и водоизолирующих элементов.
– Компьютерным моделированием на базе пространственной модели механики горных пород исследовано влияние чередования влагонасыщенных разномощных и раз-нопрочных слоев пород на состояние деформирования системы «крепь ствола – вода – неоднородный массив».
– Разработаны геомеханические и технологические основы выбора и научного обоснования конструкций и параметров монолитного бетонного крепления вертикальных стволов угольных шахт во влагонасыщенных структурно неоднородных породах, которые характеризуются повышенным ресурсосбережением, технологичностью и надежностью.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтвержденная: основных выводов и рекомендаций подтверждается статистически значимым объемом анализируемой информации о фактическом состоянии проходки и армирования; удовлетворительной сходимостью результатов статистического анализа значительного объема (результатами обследования свыше 210 глубоких верти-кальных стволов) фактических данных (коэффициенты корреляции не менее 0,99), объемом лабораторных и шахтных исследований, сочетанием теоретических и экспериментальных исследований с использованием апробированных методик и фундаментальных положений механики сплошной среды, теории вероятности, математической статистики и ЭВМ, удовлетворительной сходимостью результатов расчетов и экспериментальных исследований (расхождения не превышают 20%), положительными результатами проверки и внедрения в производство технических и технологических решений в условиях строительства новых и реконструкции действующих шахт, конструктивно-техническими мероприятиями по охране и поддержке шахтных стволов.Научное значение работы заключается в установления новых закономерностей взаимодействия системы «крепь ствола – вода – неоднородный породный массив», в использовании закономерностей изменения свойств и состояния приконтурного массива и крепления ствола от величины водопритоков для обоснования технических решений повышения его устойчивости и гидрозащиты за счет управления состоянием приконтурного массива на грани зоны неупругих деформаций во времени, уменьшением его водонасыщенности и управление свойствами бетонной крепи за счет технологий его возведения, основанных на спецдобавках в компоненты бетонной смеси:
– установлена структура технологии строительства вертикальных стволов, законо-мерности и взаимосвязи ее основных параметров и технико-экономических показателей строительства;
– дано новое представление с количественной оценкой взаимодействия ствола со слоями разномощных и разнопрочных пород при различных условиях их нагружения и контактирования при различных водопритоках;
– определено физико-механическую сущность процессов старения компонентов бетонной массы в процессе её приготовления и получены количественные показатели формирования высокопрочной гидростойкой бетонной крепи.
– разработаны геомеханические основы обоснования и выбора способов крепления стволов в структурно неоднородных водонасыщенных породах;
– установлены новые закономерности взаимодействия различных типов крепей стволов при различных водопритоках со сложноструктурными породными массивами при различных видах управляющих воздействий на них;
Практическое значение работы: работы заключается в обосновании и разработке технологической схемы строительства ствола в условиях повышенных водопритоков с максимальной интенсивностью производственных процессов и совмещением их во вре-мени, разработке практических рекомендаций по выбору основных параметров технологического цикла и сооружения ствола как комплекса а также в следующем:
– в обосновании и разработке технологической схемы строительства ствола с максимальной интенсивностью производственных процессов и совмещении их во времени, разработке практических рекомендаций по выбору основных параметров технологии в условиях повышенных водопритоков.
– в разработке метода оптимизации параметров процесса с различной структурой строительно-монтажных работ при проходке стволов.
Методы исследований. Методической основой является комплексный подход, включающий: анализ и обобщение научно-технических достижений по проблеме; вероятностностатистический анализ; проведение лабораторных и шахтных экспериментов; ана-литические исследования с использованием ЭВМ и с применением положений механики сплошной среды и подземных сооружений; технико-экономический анализ.
Апробация работы. Основные положения, научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях по горному делу „Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості” 2009, (Кривой Рог), в том числе на «Форуме горняков- 2009, 2010» (Днепропетровск); по про-блемам геомеханики и гидрогеомеханики в горном деле и строительстве (Антрацит, Тула, 2009-2010); креплению вертикальных стволов шахт (Ростов-на-Дону, Шахты, Новочер-касск, 2009-2010); на международных конференциях кафедры «Геостроительство и горные технологии» “ Сучасний стан і перспективи розвитку гірництва та підземного будівництва” КПИ (25 мая 2010г. и 8 апреля 2011 г); на научно-технических совещаниях и школах по обмену передовым опытом крепления горных выработок. Публикации. Результаты исследований автора, которые включены в магистерскую работу, изложены в 4 печатных роботах, 1 из которых – в ведущих специализированных изданиях.
Проблема обеспечения длительной устойчивости глубоких вертикальных стволов и массива вмещающих горных пород для повышения их эксплуатационной надежности на протяжении многих лет является предметом многочисленных дискуссий и поисков. Значи-тельный вклад в решение отмеченной проблемы сделали ученые и ведущие специалисты научно-исследовательских институтов, высших учебных заведений и проектных институтов Украины и стран СНГ, таких как НИИОМШС, УКРНИМИ НАН Украины, ІГТМ им. М.С. Полякова НАН Украины, НДИГМ им. М.М. Федорова, ДОНУГИ, ДонНТУ, НГУ, КТУ, ДОНДТУ, КПИ, НПИ, ТУЛДУ, МДГУ, Дондипрошахт, Днипрогипрошахт, ДИОС, Оргтехшахтострой и т.д. Значительный взнос в решение отмеченной проблемы внесли Бак-лашов И.В., Либерман Ю.М., Руппенейт К.В., Козел А.Н., Крупенников Г.О., Протосеня А.Г., Буличев Н.С., Усаченко б.М., Виноградов в.В., Максимов о.П., Єржанов Ж.С., Ша-шенко А.Н., Роенко А.Н., Литвинский Г.Г., Новикова Л.В., Сдвижкова О.А., Левит В.В., Кипко Э.Я., Назимко В.В., Должиков п.М., Петренко В.Д., Садовенко И.О., Дрибан В.О., Андреев Б.Н., Полозов Ю.А., Дружко Е.Б. Проведенными фундаментальными исследова-ниями ИГТМ им. М.С.Полякова и ДонФТИ НАН Украины, УкрНИМИ, НИИОМШС, До-нУГИ, ВНИМИ, НИИГМ им. М.М. Федорова, МГГУ, ТулГУ, НИГРИ, Национальной гор-ной академией Украины, Криворожским, Донецким и Киевским техническими универси-тетами, проектными институтами («Днепрогипрошахт», «Донгипрошахт», «Южгипро-шахт») [6-11] создана надлежащая научно-техническая база, которая обеспечила реальный прогресс в проектировании, сооружении и эксплуатации шахтных стволов. Но задачи повышения полноты и достоверности данных о литолого-структурной и прочностной неод-нородности пород, оценки их влияния на качественные и количественные показатели горного давления, проявления при этом асимметрии нагрузок на стволы остаются ключевыми в раскрытии механизма взаимодействия системы «крепь ствола – породный массив» и обосновании конструктивно-технологических решений повышения их устойчивости. Развитие мировой и отечественной угольной промышленности характеризуется повышением конкурентоспособности угля, который нуждается в строительстве новых и мо-дернизации действующих угольных шахт. Одним из наиболее сложных стоимостных про-цессов в комплексе работ относительно строительства и реконструкции шахт есть сооружение вертикальных стволов [12-15]. При пересечении водоносных пород, вода попадает в смежные с водоупором пласты, что приводит к их последующему размоканию. Был проведен целый комплекс исследований, который позволил получить зависимости снижения прочностных характеристик от размокаемости пород (рис.1, табл.1).
Таблица 1. Результаты определения физико-механических свойств пород, вмещающих обследованные стволы Донбасса
Анимированный рисунок «Зависимость предела прочности пород от влажности»: 1 – песчаники; 2 – песчаные сланцы; 3 – глинистые сланцы. (24 кадра; время между кадрами 50 миллисекунд; сделан в GIF-аниматоре)
Кроме того, анализ вывалообразования на основе созданной на кафедре СШиПС базы проходки вертикальных стволов Донбасса позволил получить зависимость вывало-образования в стволах от водопритоков (рис.2).
Рис.2. Зависимость величины объема вывала от остаточного водопритока
В результате обработки и обобщения полученных экспериментальных данных установлено следующее. 1. При пересечении стволом водоносного горизонта в приконтурной зоне массива формируется геоактивная зона с повышенной трещиноватостью и водонасыщением, глу-бина которой достигает 1,5.1,8м, а негативное влияние проявляется в повышенном вывалообразовании и коррозии бетона. 3. Распространение зоны водонасыщения от границы водоносного горизонта в сторону водоупорного слоя составляет 1,0.1,5 м. 4. Приближенные водоносные горизонты, которые разделены водоупорным слоем небольшой мощности, ведут себя как единственный водоносный горизонт. 5. Контур зоны нарушенных и водонасыщенных пород в горизонтальной плоскости вытянут в направлении линии «падения-поднятия» пласта. Результаты лабораторных и шахтных исследований положены в основу компью-терного моделирования состояния незакрепленного ствола и взаимодействия водонасы-щенных пород с бетонным креплением [16,17]. При исследовании напряженно-деформированного состояния призабойной части ствола в большинстве случаев задание решалось в плоской постановке, что не позволяло учесть все особенности деформации пород на незакрепленном участке забоя ствола, а также влияние сведенных колец из отвердевающего бетона друг на друга при действии на ствол окружающего водонасыщенного массива, потому для исследования состояния породного массива и крепления была разработана объемная модель, которая учитывала результаты шахтных экспериментов, расчет которой возможен с помощью приближенных численных методов в программном ком-плексе Лира – 9.0 методом конечных элементов.
В результате расчета определялись напряжение на контакте крепления и породы, которые прикладывались к внешним цилиндровым граням внешних объемных конечных элементов крепления ствола. Влияние слоистости окружающего массива в формировании НДС крепления ствола и массива было учтено разработанной моделью ствола с учетом взаимодействия системы «крепления – массив». Модель ствола построена на основе реальных геометрических размеров, результатов лабораторных исследований и применения расчетного профессионального комплекса Structure CAD for Windows, version 7.29 R.3 (SCAD) [18]. Модель основана на объемных конечных элементах (31892 узлов, 28116 конечных элементов) и более полно отображает статическую работу ствола с вмещающим массивом. После создания пространственной модели ей предоставляли деформационные харак-теристики, полученные в лабораторных условиях (модуль упругости, деформации, коэффициент Пуассона). В совокупности установлено, что изменение скорости проходки не оказывает существенного влияния на соотношение между напряжениями и деформациями при дости-жении статического равновесия в системе «бетонная крепь – водонасыщенный породный массив», которая при высокой скорости проходки наступает на большем расстоянии от забоя ствола. Поскольку интенсивная нагрузка крепления в раннем возрасте может нару-шить процесс естественного твердения бетона, привести к нарушению его структуры, раз-вития трещиноватости в нем, что повлечет снижение несущей способности и водонепро-ницаемости крепи, уменьшения ее долговечности, целесообразно его сводку выполнять с отставанием от забоя не меньше 4-х диаметров ствола [20,21]. Полученные результаты позволили разработать рекомендации относительно уве-личения устойчивости вертикальных стволов в условиях повышенной водоносности по-родного массива и разработать технологические регламенты. Кроме того, были разработаны технологические регламенты по организации водо-притоков по стволу при его проходке.
В результате анализа литературных источников определены цель и задачи данной магистерской работы. Установлены зависимости, позволяющие усовершенствовать монолитную бетонную креп в условиях повышенных водопритоков. Полученные зависимости и результаты компьютерного моделирования геомеханических процессов в окрестности водоносних пластов вертикального ствола позволили сформулировать рекомендации по выбору гидростойкой высокопрочной крепи при сооружении вертикального ствола в сложный горно-гидрогеологических условиях.
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2011 года.Полный тект работы и материалы по теме могут быть получены после указанной даты.