Развитие промышленности Украины неизбежно связано со строительством новых, более глубоких, и реконструкцией действующих угольных шахт. Вертикальные стволы данных предприятий сооружают в комплексе с постоянными и временными выработками, непосредственно примыкающими к стволу и имеющими различное назначение, форму, размеры и месторасположение. Такие выработки получили название приствольных, а особое место здесь занимает сооружение сопряжений. Отечественный и зарубежный опыт свидетельствует, что, не смотря на значительные достижения в этом, традиционная технология крепления стволов железобетоном остается материалоемкой, имеет значительную себестоимость и предопределяет низкие темпы строительства [1-5].

Назначение, число и конструкция приствольных выработок зависят от типа вертикального ствола, к которому они примыкают. Рассечка сопряжения может осуществляться как в период строительства ствола в процессе его проходки, так и в период эксплуатации ствола и приводит к изменению установившегося равновесного состояния системы «крепь – массив», не менее сложным является и последующая эксплуатация этих участков стволов в зоне влияния приствольных выработок.

Актуальность темы

Комплексные натурные исследования участков сопряжений 200 глубоких (свыше 600 м) вертикальных стволов в Донбассе, выполненные ВНИМИ, показали, что участки вертикальных стволов, находящиеся в зонах влияния приствольных выработок, являются наиболее сложными с точки зрения работы крепи и армировки. Более 75% нарушений крепи вертикальных стволов в Донбассе приходится на районы сопряжений. Характерными видами повреждений является скалывание и отслоение крепи, трещины и заколы в крепи, вывалы крепи и пород, деформации арматурных элементов, изгибы расстрелов и проводников. При этом четко прослеживается тенденция ухудшения состояния крепи и армировки на участках сопряжений с приствольными выработками по мере роста глубины стволов.

Рис. 1. Характерные зоны участков сопряжений вертикальных стволов

По степени нагруженности и напряженно-деформированного состояния крепи сопряжения с горизонтальными выработками околоствольного двора выделяют четыре зоны [6] (рис.1): I – зона примыкания ствола к горизонтальной выработке; II - то же, к почве горизонтальной выработки; III – зона наиболее ослабленного сечения сопряжения; IV – зона наиболее ослабленного сечения горизонтальной выработки.

Таким образом, существует острая необходимость поиска путей совершенствования крепления сопряжения вертикальных стволов, за счет уменьшения материалоемкости крепления [7,8], разработки технологических и технических решений, позволяющих существенно увеличить срок их безремонтной эксплуатации [9,10], что является весьма актуальной задачей.

Объект исследования – участки сопряжений стволов угольных шахт.

Предмет исследования– специальная бетонная крепь вертикальных стволов угольных шахт, сооружаемых в неоднородном породном массиве.

Идея данной работы заключается в увеличение сроков безремонтной эксплуатации крепи сопряжений ствола с околоствольными дворами за счет разработки специальной крепи, совершенствование технологии производства работ, повышение гидроизоляционных свойств монолитной бетонной крепи за счёт применения специальных добавок в состав бетонной смеси для обеспечения необходимого сращивания в месте бетона ствола с новым технологическим бетоном сопряжения.

Научная новизна работы

Определена структура зависимости показателя величины распространения нарушений крепи в районе сопряжений вертикальных стволов от горно-геологических и горно-технологических условий.
Обоснованы параметры монолитной бетонной крепи вертикальных стволов в районе сопряжений с околоствольными дворами добычных горизонтов шахт при сооружении вертикальных стволов шахт по совмещённой схеме проходки для улучшения технико-экономических показателей их строительства и эксплуатации.
Анализ базы журналов «ШСК Шахтопроходка» позволил получить эмпирические зависимости и графики, позволяющие на их базе разработать регламенты возведения спецкрепи указанных участков.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтвержденная: использованием апробированных методик проведения исследований; применением методов математической статистики при обработке результатов экспериментальных исследований; применением вычислительной техники; надежностью лабораторных исследований на моделях (рассогласование расчетных и экспериментальных данных не превышает 30%); применением комплексной методики исследований, включающей методы инженерного анализа, научного обобщения исходных данных. Научное значение работы состоит в установлении закономерностей распространения нарушений в районе сопряжений с горизонтальными выработками, реализованных в виде эмпирических зависимостей и графиков и обосновании на их базе параметров и регламентов крепления позволяющие на их базе разработать регламенты возведения спец-крепи указанных участков.

Практическая ценность результатов работы

Практическое значение работы:

усовершенствована методика комплексной оценки системы «крепь – породный массив» с использованием совокупности геофизических методов;
обоснованы и подтверждены расчетом параметры специальной бетонной сопряжений;
разработан технический регламент крепления стволов в районе сопряжениями с применением специальной бетонной крепи;
обеспечено применением разработанной технологии прохождения сопряжений стволов с темпами не ниже нормативных.

Научное значение работы состоит в установлении закономерностей распространения нарушений в районе сопряжений с горизонтальными выработками, реализованных в виде эмпирических зависимостей и графиков и обосновании на их базе параметров и регламентов крепления позволяющие на их базе разработать регламенты возведения спецкрепи указанных участков.

Практическое значение работы

усовершенствована методика комплексной оценки системы «крепь – породный массив» с использованием совокупности геофизических методов;
обоснованы и подтверждены расчетом параметры специальной бетонной сопряжений;
разработан технический регламент крепления стволов в районе сопряжениями с применением специальной бетонной крепи;
обеспечено применением разработанной технологии прохождения сопряжений стволов с темпами не ниже нормативных.

Основные задачи исследований состоят в следующем

Оценка основных горно-технологических условий и геомеханических особенностей сооружения сопряжений вертикальных шахтных стволов с позиции применения ресурсосберегающей крепи;
Выполнение на базе аналитических исследований качественной и количественной оценок состояния вертикальных участков сопряжений стволов и установление закономерностей между основными доминирующими факторами, которые влияют на устойчивость ствола;
Обоснование на базе лабораторных и аналитических экспериментов целесообразности применения специальной бетонной крепи сопряжения;
Компьютерные исследования системы «специальная бетонная крепь – породный массив»;
Разработка методики расчета параметров технологии сооружения сопряжений.

Методы исследований: анализ и обобщение научно-технических достижений попроблеме; математическая и статистическая обработка результатов экспериментальных и лабораторных исследований; лабораторные эксперименты с применением комплексных геофизических методов; аналитические исследования с использованием ЭВМ и с применением положений механики сплошной среды и подземных сооружений; технико-экономический анализ.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались на внутренней университетской конференции на международных конференциях кафедры «Строительство шахт и подземных сооружений» ДонГТУ (2007 – 2011г.г.), на расширенных заседаниях кафедры «Строительство шахт и подземных сооружений» ДонГТУ (2007 – 2011г.г.), на международной научно-практической конференции «Проблемы геоинформатики при комплексном освоении недр» НГАУ (г. Днепропетровск, 29 октября 2011 г), на международной конференции в ТулГУ (Октябрь 2010г.), г.Тула, на международных конференциях Шахтинского института (ф) ЮРГТУ (НПИ) (2009 – 2011г.г.), г. Шахты, 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), Форуме-конкурсе молодежных работ в СППГИ (20-22 апреля 2011г.), г. Санкт-Петербург.

Основное содержание работы

В комплексе горных выработок современной шахты на долю стволов приходится 25…30% стоимости и 35…50% общего времени строительства [11,12]. Особое занимает сооружение сопряжений. Отечественный и зарубежный опыт свидетельствует, что крепление сопряжений стволов остается материалоемким, малопроизводительным и дорогим. Несмотря на значительные материальные затраты при креплении, почти 48% стволов угольных шахт имеют деформированное крепление, а 50% их сопряжений с горизонтальными выработками требует срочного ремонта (НИИОМШС) [13,14].

Выполненные УкрНИМИ обследования сопряжений вертикальных шахтных стволов Донбасса показали значительное несоответствие фактической толщины крепи расчетной (76%) [15]. Нарушения крепи в районе сопряжений приводят к ее вывалам, изменению геометрии контура ствола, отклонению армировки, что в свою очередь нарушает ритмичность работы подъема, а в некоторых случаях приводит и к остановке ствола.

В обычных условиях вертикальные стволы и прилегающие к ним выработки крепят монолитным бетоном класса В15...25 по прочности, толщина крепи составляет 300...500мм. В сложных горно-геологических условиях (в зонах ожидаемой концентрации напряжений) применяют массивные бетонные, железобетонные, металлобетонные или многослойные крепи. При этом увеличение толщины крепи на каждые 50мм дает прирост стоимости ствола на 5...6%, а применение монолитного железобетона приводит к увеличению этой стоимости по отношению к стоимости обычной бетонной крепи в 2,5 раза. Одновременно на 35% возрастает трудоемкость работ и на 60% снижаются темпы проходки.

Таким образом, результаты анализа состояния вертикальных стволов шахт Донбасса [15,16] позволяют сделать вывод о том, что применяемые крепи и технологии их возведения в районе сопряжений в большинстве случаев не соответствуют предъявляемым к ним современным требованиям.

Современный уровень научно-технических знаний в изучаемой области накоплен в результате длительных исследований и фундаментальных работ, выполненных научно-исследовательскими, проектно-конструкторскими организациями ИГТМ НАН Украины, ВНИМИ, ИГД им. А.А. Скочинского, НИИОМШС, ЦНИИПодземмаш, Южгипрошахт, Днепргипрошахт, Донгипрошахт, Доноргшахтострой, КузНИИшахтострой, Кривбасспроект, и др., а также рядом учёных и инженеров: Н.М. Покровским, М.М. Протодъяконовым, П.М. Цимбаревичем, Г.Г. Литвинским, Ю.З. Заславским, Б.М. Усаченко, А.Н. Шашенко, А.М. Козелом, А.Н. Динником, Н.С. Булычёвым, В.П. Друцко, В.В. Левитом, С.В. Борщевским, М.А. Выгодиным, А.П. Максимовым, А.Н. Насоновым, Н.Н. Фотиевой, С.Г. Страданченко, А.Ю. Прокопова, М.С. Плешко и др.

Внедрение специальных крепей в вертикальных стволах [17] требует экспериментальных и теоретических обоснований с использованием имеющегося опыта сооружения спряжений [18].

Для этого на базе натурных наблюдений произведена качественная и количественная оценка состояния вертикальных участков сопряжений стволов, для выявления основных доминирующих факторов, влияющие на устойчивость ствола [19].

В качестве исследуемых были определены 20 стволов шахт, имеющих двухстороннее сопряжение и пологое залегание пород.

Обобщающим параметром, характеризующим зону нарушения и определяющим выбор технологии крепления, является ожидаемая высота распространения нарушений над сопряжением в районе технологических стыков.

Устойчивость подземных горных выработок определяется огромным количеством горно-геологических и горнотехнических факторов, степень влияния которых, неодинакова. Оценивалось влияние различных факторов, на высоту распространения нарушений над сопряжением. Следует также отметить, что А.Н. Шашенко, О.В. Колоколов и др. ученые показали зависимость устойчивости капитальных выработок, пройденных одним и тем же способом в одинаковых горно-геологических условиях от направления проходки по отношению к плоскости ослабления. Эти наблюдения [20-22] дают основания полагать, что закономерность является глобальной и в полной мере относится и к сопряжениям вертикальных стволов.

Среди множества факторов, на основе анализа методом группового учета аргументов, выявлены наиболее влияющие на проявление горного давления вблизи горной выработки. Получены статистические зависимости высоты распространения нарушений над сопряжением (Y) от дирекционного угла проведения сопрягающейся со стволом горизонтальной выработки (Х1), отношения ширины выработки к диаметру ствола в свету (Х6), условия сооружения (Х5).

Наилучшая из рассмотренных моделей с погрешностью 11,6% имеет линейный вид:

Y=20X5+5,42X6-0,18X1 (1)

Для определения характера взаимосвязи каждой входной переменной с выходным значением, был использован пакет программ CurveExpert1.3

К.т.н. Бородуля А.А., в свое время, получил следующие зависимости высоты распространения нарушений от:

дирекционного угла оси сопряжения (А):

(2)
от условия сооружения ():

(3)

где R_t – приведенная длительная прочность вмещающего породного массива на удалении 20r (где r – радиус ствола в свету, м); g- объемный вес пород, кН/м³; Н – глубина, м.
от отношений ширины сопрягающейся горизонтальной выработки (В) и диаметра ствола в свету (D):

(4)

Обобщающая формула для определения высоты распространения нарушений в зависимости от трех выявленных доминирующих факторов имеет вид:

Анимация: 6 кадров, 8 циклов, обьём 9 кбайт, сделано в Gif animator.

(5)

Минимальный размер зоны нарушения над сопряжением при дирекционном угле проведения горизонтальной выработки 40…600.

График зависимости h_н=f() [6] подтверждает факт необходимости заложения сопряжений в породах крепостью не ниже 6…7.

При интерпретации зависимости h_н=f(B/D) [6] следует выделить три характерные зоны: 0,5…0,7; 0,7…0,9; 1,0…1,2. Незначительные величины нарушений в первой зоне предпочтительно связаны с тем, что при малых размерах ширины сопряжения (В) весьма малая его роль как разгрузочной выработки. В интервале отношений B/D=1,0…1,2 имеет место выравнивание концентрации напряжений вокруг ствола и примыкающей выработки, что существенно уменьшает величину h_н, а величины смещения пород преимущественно параллельны цилиндрической образующей крепи ствола. В случае, когда B/D=0,7…0,9 по ряду технологических причин имеет место рост объемов потенциально обрушаемого массива и, как следствие, радиуса неупругих деформаций, что в совокупности с величиной концентрации напряжений является причиной наибольшей протяженности деформирования крепи над сопряжениями, достигающей 65 м.

Качественный характер процессов происходящих в реальном стволе моделировался в лабораторных экспериментах по методике ИГТМ НАН Украины [22,23]. При этом многослойный сложноструктурный массив и металлические элементы спецкрепи смоделированы на основе эквивалентных материалов, изменения азимута проведения горизонтальной выработки моделировалось изменением направления относительно напластования. На основании полученых зависимостей продольной и поперечной деформаций от сжимающего напряжения, обоснована целесообразность применения спецкрепи, входящей в состав постоянной на участках сопряжений стволов.

Комплекс геофизических исследований показал, что пересечении стволами слабых пород, отработанных пространств, участков сопряжений, создаются геомеханические предпосылки для последующего образований в породах трещин и деформаций крепи в направлении «восстание – падение».

Для боснование величины зоны нарушения ствола в районе сопряжения были проведены аналитические исследования [24,25]. При построении математической модели учтено, что сопряжение ствола с горизонтальной выработкой является сложной пространственной системой, поэтому для упрощения рассмотрена плоская задача взаимного влияния ствола и горизонтальной выработки на устойчивость ствола над сопряжением. Выявленные статанализом доминирующие факторы, включены в математическую модель [22] при определении эквивалентных напряжений на контуре горизонтальной выработки.

На базе натурных наблюдений [1] была произведена качественная и количественная оценка состояния вертикальных участков сопряжений стволов, выявлено, что одним из основных факторов, влияющих на устойчивость вертикальных участков ствола над сопряжениями, является дирекционный угол проведения сопрягающейся со стволом горизонтальной выработки.

Рис.2 Постановка задачи

Сопряжение ствола с горизонтальными выработками является сложной пространственной системой (рис.2), поэтому логично, делая некоторые допущения, рассмотреть влияние отдельных составных частей сопряжения на устойчивость ствола. Чтобы исключить влияние узла сопряжения (2), на достаточном удалении выполним два плоских сечения I-I и II-II (рис. 2 б, в) ствола (1) и примыкающей горизонтальной выработки (3).

Очевидно, что напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг ствола не изменяется при различной ориентации относительно северного направления, эквивалентные напряжения по всему контуру равны (рис. 2 б).

Рассматривая непосредственно узел примыкания двух выработок, видно, что влияние на состояние ствола над сопряжением оказывает только концентрация повышенных напряжений в углах примыкания и не изменяется в зависимости от поворота относительно направления «север - юг».

Следует также отметить обследования ряда угольных шахт Донбасса (А.Н. Шашенко, О.В. Колоколов) [26,27], которые показали, что устойчивость капитальных выработок, пройденных одним и тем же способом в одинаковых горно-геологических условиях, но в разных направлениях по отношению к плоскости ослабления, существенно отличается. Эти наблюдения дают основания полагать, что закономерность является глобальной и в полной мере относится и к горизонтальным выработкам сопряжений вертикальных стволов, влияющих, в свою очередь, на вертикальные участки. Очевидно, что существенное влияние на процесс формирования картины напряженно-деформированного состояния вмещающего массива пород оказывает боковое давление горных пород lgН, которое формируется на границах отдельного шахтного поля, через коэффициент бокового распора l.

Следует отметить, что к числу важных горно-технических задач выделяется задача определения ориентации заложения примыкающей к стволу горизонтальной выработки. Специфика постановки задачи связана, главным образом, с учетом векторов главных напряжений, действующих в породном массиве, его физико-механическим свойством слоистости, соотношения вертикальных и горизонтальных компонент напряжений.

В процессе выполнения магистерской работы будет выполнено конечноэлементное моделирование сопряжения ствола в слоистом массиве

Заключение

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 сопряжения вертикального ствола и околоствольного двора позволили сформулировать рекомендации по оптимальному выбору спецкрепи и класса бетона при сооружении сопряжения ствола в различных горно-геологических условиях.

Важное замечание

При написании данного реферата магистерская работа еще не закончена. Окончательное завершение: декабрь 2011 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Литература

Левит В.В., Сергиенко В.Н., Бородуля А.А. Методика и результаты физического моделирования и натурного диагностирования состояния сопряжения «ствол - горизонт» // Геотехническая механика. Сб. научн. тр. – Днепропетровск. – 2000. – Вып. 23. – С. 116-125.
Б.А. Картозия, Федунец Б.И., Шуплик М.Н., Малышев Ю.Н., Смирнов В.И., Лернер В.Г., Рахманинов Ю.П., Корчак А.В., Филимонов Б.А., Резуненко В.И., Левицкий A.M. Высшее горное образование: Шахтное и подземное строительство. Учебник для вузов, 2-е издание, переработанное и дополненное. Том I / Академия горных наук. - Москва. – 2001.
Гузеев А.Г., Гудзь А.Г., Пономаренко А.К. Технология строительства горных предприятий. – К.; Донецк: Вища школа. Главное изд-во. – 1986. – 392 с.
Борщевский С.В., Бородуля А.А. Геомеханическое обоснование конструктивных параметров комбинированной технологии проходки вертикальных выработок с применением передовой скважины // Сб. научн. тр. Национальной горной академии Украины, Днепропетровск. – 2001. - №12. – С.95-100.
Бородуля А.А. Новые технологии крепления глубоких вертикальных стволов и их сопряжений // Уголь Украины. – 2002. - №4. – С.32-34.
Бородуля А.А. Обґрунтування параметрів анкерно-бетонного кріплення під час спорудження сполучень вертикальних стволів вугільних шахт: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.15.04 / Нац. гірн. ун-т. – Дніпропетровськ, 2002. – 18 с.
Бородуля А.А., Макаровський А.А. Определение параметров рационального заложения сопряжений вертикальных шахтных стволов // Сб. научн. тр.- Донецк: ООО «НОРД Компьютер», 2001- С.18-20.
Левит В.В., Сергиенко В.Н., Бородуля А.А. Методика и результаты исследования процесса разрушения моделей трехслойного массива, содержащего сопряжение «ствол - горизонт» // Геотехническая механика. Сб. научн. тр. – Днепропетровск. – 2001. – Вып. 29. – С. 209-215.
Левит В.В., Бородуля А.А., Резник А.В. Оценка длительной прочности многослойного массива пород при сооружении вертикальных стволов угольных шахт // Труды Доннту. Выпуск 45. Серия горно-геологическая. Донецк. – 2002. – С.13-17.
Борщевский С.В., Бородуля А.А., Скальский А.В. Особенности сооружения вертикальных стволов за рубежом // Сб. научн. тр.- Донецк: ООО «НОРД Компьютер», 2002- С. 11-12.
Борщевський С.В. Фізико-технічні та організаційні основи інтенсивних технологій спорудження вертикальних стволів у породному масиві з підвищеною водоносністю: автореф. дис. докт. техн. наук: 05.15.04 / Нац. гірн. ун-т. – Дніпропетровськ, 2008. – 38 с.
Казакевич Э.В. Крепление вертикальных стволов шахт монолитным бетоном / Недра. - Москва - 1970 г. - С. 32-33.
Ягодкин Ф.И. Научно-методические основы проектирования ресурсосберегающих технологий строительства глубоких вертикальных стволов: автореф. дис. докт. техн. наук: 05.15.04 / Днепр. горн. ин-т. – Днепропетровск, 1991. – 33 с.
Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи /ВНИИОМШС, ВНИМИ/ М.: Стройиздат, 1983. –272с.
Кокунько И.Н. Совершенствование технологии строительства вертикальных стволов шахт буровзрывным способом: автореф. дис. канд. техн. наук: 25.00.22 / ТулГУ. – Тула, 2001 – 17 с.
Сыркин С.П. Ресурсосберегающая технология строительства вертикальных глубоких стволов: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.15.04 / ЮрГТУ. – Новочеркасск, 2001 – 18 с.
Миндели Э.О., Тюркян Р.А. Сооружение и углубка вертикальных стволов шахт. М.: Недра, 1982. – 312 с.
Борщевский С.В., Руднев А.И., Торубалко Д.Т.Совершенствование бетонной крепи вертикальних стволов шахт в районе стыков. // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. Сб. научн. трудов. Вып. 17. – Донецк: «Норд–Пресс», 2011С.101-105.
Указания по определению параметров и конструкций крепи вертикальных стволов и приствольных камер на больших глубинах в горно-геологических условиях Центрального и Стаханово-Первомайского районов Донбасса. Л.ВНИМИ, 1981, 72 с.
Борщевский С.В., Руднев А.И., Плешко М.С. Лабораторные исследования работы крепи вертикальных стволов в призабойной зоне. //Проблеми гірського тиску, Зб.наук.праць, №18, ДНТУ, 2010, С. 150-159.
Борщевский С.В., Харин С.А., Руднев А.И. Влияние контурного взрывания на темпы сооружения горизонтальных выработок.// Сборник трудов МГГУ 2009. – С.125 -131.
Тютькін О.Л., Борщевський С.В, Руднєв А.І. Розробка чисельної моделі колонної станції // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. Сб. научн. трудов. Вып. 15. – Донецк: «Норд–Пресс», 2009 С. 127-129.
Борщевский С.В., Руднев А.И., Плешко М.С. Особенности взаимодействия анкерной крепи с породным массивом при проходке вертикального ствола по поточной технологии // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. Серия «Науки о земле». Вып. 4, Тула: Гриф и К, 2009. – С.37-48.
Борщевский С.В., Руднев А.И., Плешко М.С. Оценка эфективности перехода на сталефибробетонную крепь в различных породах.// Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта: Тезисы 69 Международной научно-практической конференции. – Д.: ДИИТ, 2009. – С. 189.
Харин С.А., Борщевский С.В., Руднев А.И. Учет интенсивности проходки вертикальных стволов от производительности погрузочных средств. // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. Сб. научн. трудов. Вып. 15. – Донецк: «Норд–Пресс», 2010 С.141-143.
КД 12.01.01.502-98 Система забезпечення надійного та безпечного функцюювання гірничих виробок із анкерним кріпленням. Порядок та організація. – С. 41-53.
Научное открытие № 131, от 14 декабря 1999 г. Закономерность изменения устойчивости обнажений в выработках / А.Н. Шашенко, В.Г. Агеев, С.В. Кужель, Е.А. Сдвижкова, С.Б. Тулуб, А.Н. Шашенко.