Назад в библиотеку

---

АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД И КРЕПИ СОПРЯЖЕНИЙ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ

Автор:М.С. Плешко, Д.В. Крошнев
Источник: Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. Сб. научн. трудов. Вып 17, – Донецк: Норд – Пресс, 2011. – 285 с.

Анализ факторов, влияющих на напряженно-деформированное состояние вмещающих пород и крепи сопряжений вертикальных стволов

Шахтные стволы являются важнейшими выработками горнодобывающего предприятия, обеспечивающими непрерывную транспортировку полезного ископаемого, грузов, оборудования, материалов, спуска-подъема людей. Все конструктивные элементы стволов должны обладать высокой надежностью и безотказно работать в течение всего срока эксплуатации шахты или рудника.

В то же время крепи и армировка многих стволов находятся в неудовлетворительном состоянии и требуют ремонтно-восстановительных работ, вследствие воздействия горно-геологических, гидрогеологических, технологических, климатических и других неблагоприятных факторов. При этом в наиболее неблагоприятных условиях находятся сопряжения Вертикальных стволов с горизонтальными выработками.

Согласно исследованиям 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.

Распределение нарушенности сопряжений по зонам следующее: горизонтальные участки сопряжений, примыкающие к стволу – 33% всех нарушений, участки ствола выше арок сопряжений – 26%, остальная часть – стенки стволов напротив проемов сопряжений и участков ниже почвы сопряжений. При этом форма и размеры поперечного сечения сопряжений и параметры крепи не оказывают существенного влияния на распределение нарушенности. Даже в выработках закрепленных усиленными железобетонными и металобетонными крепями наблюдались значительные разрушения крепи и большие деформации.

Проведенный анализ позволяет выделить ряд основных факторов, влияющих на распределение напряжений и деформаций в районе сопряжений:

• Наличие слабых, неустойчивых пород и геологических нарушений в зоне сопряжения;
• Ведение очистных работ у границ охранных целиков;
• Наличие близкорасположенных приствольных выработок и других сопряжений;
• Агрессивное воздействие среды;
• Неудовлетворительное качество крепи, неправильное ведение буровзрывных работ.

Первые три фактора вносят наиболее значительный вклад в общую динамику процесса изменения напряженно-деформированного состояния сопряжений стечением времени.

Интенсивность деформационных процессов в зоне сопряжений наиболее высока на участках, сложенных разномощными разнопрочными породами, с залеганием слабых слоев между более прочными породами. Она проявляется в послойном расчленении пород, снижении сцепления по контактам, развитии отрывных явлений, изгибе и оседании пород.

Подход очистных работ к границам охранных целиков приводит к росту опорного давления в зоне сопряжения, действие которого вызывает радиальные деформации сжатия в стволе и поперечные и продольные деформации сжатия в крепи свода сопряжений. Наличие близкорасположенных околоствольных выработок способствует развитию асимметрии напряженно-деформированного состояния крепи сопряжения и примыкающего участка ствола.

Моделирование работы сопряжений в различных условиях показало, что наиболее опасными являются изгибные деформации, приводящие к образованию зон растягивающих напряжений и последующему разрушению крепи вследствие трещинообразования. При этом максимальные деформации и напряжения наблюдаются в сопряжениях на участках 1,4-1,6 м и 1,8 - 2,2 м от ствола, что согласуется с данными обследования выработок.

В целом оценку состояния сопряжений в зависимости от свойств пород и влияния очистных работ можно произвести по формуле:

где сy – критерий устойчивости вмещающего слоя пород;

k0 – коэффициент влияния очистных работ.

Оценка состояния сопряжений дается по трехбалльной шкале: 1 балл – состояние удовлетворительное, незначительные повреждения крепи и армировки; 2 балла – повреждения средней степени тяжести, требующие усиления крепи и исправление армировки; 3 балла – повреждения тяжелые, необходимо перекрепление ствола и замена армировки. Большая часть находящихся в настоящее время в эксплуатации сопряжений относится ко 2 и 3 группе по приведенной классификации, несмотря на применение усиленных крепей.

На основании вышесказанного становится очевидным, что при проектировании крепи сопряжений и прилегающей зоны ствола необходимо разрабатывать и принимать специальные меры, обеспечивающие их безремонтную эксплуатацию в сложных условиях. К таким мерам можно отнести:

• Оставление предохранительных целиков достаточных размеров, исключающих влияние очистных работ;
• Управление околоствольным массивом пород;
• Применение рациональных видов крепи, конструктивных мер защиты крепи и армировки;
• Выбор рациональных форм сопряжений стволов.

На рис.1 представлены наиболее перспективные конструктивные и технологические приемы повышения работоспособности крепи сопряжений и прилегающих участков стволов.

Одним из способов обеспечения устойчивости сопряжений в сложных горно-геологических условиях является применение двухслойной крепи из внутреннего жесткого слоя и внешнего податливого (рис. 1,а). В качестве податливой крепи могут использоваться шлакоблоки или пористые бетонные блоки, стекловолокнистые маты и т.п. Также предлагается в зонах интенсивных деформаций устанавливать податливый слой из гидравлических баллонов.

С целью исключения взаимного влияния конструктивных участков сопряжения с различной интенсивностью деформаций целесообразна установка компенсирующих деформационных швов (рис. 1,б). Различают верхний и нижний горизонтальные деформационные швы, устанавливаемые над верхним опорным венцом и под нижним опорным венцом, и вертикальный деформационный (отсекающий) шов, размещаемый в месте примыкания сопряжения к стволу.

Упрочнение вмещающих пород сопряжений стволов и примыкающих к ним участков (рис. 1,в) находит все большее распространение. Разработаны и применяются различные конструкции анкерных крепей, в том числе опережающих, устанавливаемых из ствола по сечению сопряжения. Эффективным считается предварительный тампонаж массива путем нагнетания различных быстротвердеющих растворов в пробуренные шпуры.

Перечисленные меры при их правильном выборе и реализации в зависимости от условий строительства позволяют существенно повысить работоспособность крепи сопряжений, однако в тоже время требуют дополнительных затрат. В этой связи более эффективным направлением представляется управление породным массивом во время проходки ствола и примыкающих выработок.

Например, при последовательной схеме рассечки сопряжений перерыв между проходкой ствола на данной отметке и началом работ по строительству приствольной выработки может составлять десятки месяцев. За этот период напряженно-деформированное состояние вмещающего массива пород может существенно измениться, что может как благоприятно, так и негативно повлиять на последующую эксплуатацию пройденного в деформировавшихся породах сопряжения. В настоящее время, учитывая не разработанность этих вопросов, авторами проводятся исследования по методическому обоснованию расчетных методов проектирования крепи сопряжений, сооружаемых в пройденных стволах, а также разрабатываются технологические и конструктивные меры по эффективному управлению породным массивом.

Список использованной литературы

1. Южанин И.А., Дрибан В.А. Охрана и поддержание сопряжений Вертикальных стволов с горизонтальными выработками. // Уголь Украины. – 1988. №6. С. 43 – 44.
2. Левит В.В. Геомеханические основы разработки и выбора комбинированных способов крепления вертикальных стволов в структурно неоднородных породах: Автореф. дисс… д-ратехн. наук. – Днепропетровск. 1999. – 36 с.
3. Цейтлин Г.М., Маргулис Е.Г. Новые конструкции и методика расчета сопряжений шахтных стволов. // Шахтное строительство. – 1986. – №6. – С. 6 – 8.
4. СЗаславский Ю.З. Крепление вертикальных шахтных стволов// Уголь Украины. – 1985. – №5. – С. 42 – 43.