ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ СТВОЛ-СОПРЯЖЕНИЕ-ПОРОДНЫЙ МАССИВ НА ЧИСЛЕННЫХ МОДЕЛЯХ

Автор: Инж. Румежак О.Н.асп. Кравченко К.В.
Источник: Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. Сб. научн. трудов. Вып 16, – Донецк: Норд – Пресс, 2010. – 170 с.

ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ СТВОЛ-СОПРЯЖЕНИЕ-ПОРОДНЫЙ МАССИВ НА ЧИСЛЕННЫХ МОДЕЛЯХ

Особое место в комплексе строительства вертикальных стволов шахт занимает сооружение сопряжений. Одним из перспективных направлений крепления вертикальных стволов шахт является применение комбинированных крепей с использованием анкеров, которые усиливают эффект принудительного сцепления основной крепи с массивом пород.

На шахте им. А.Г. Стаханова длительное время имеет место проблема обеспечения устойчивости сопряжений вентиляционного ствола №8 с выработками околоствольного двора пересекаемых глубоких (свыше 800 м) горизонтов. Крепь сопряжений в силу постоянного воздействия горного давления и неблагоприятных горно-геологических условий подвергается значительным нагрузкам и находится в режиме постоянных ремонтов, на что тратятся значительные средства и задействована специальная бригада горнорабочих.

Объект исследований - вентиляционный ствол № 8 шахты им. А.Г. Стаханова диаметром в свету 7,0 м, пройденный в 1983-86 гг. до глубины 1277,6 м.

Для оценки напряженно-деформированного состояния сопряжения ствола №8 с выработками руд дворов горизонтов 986 м и 1136 м была проведена серия численных экспериментов.

Численные исследования проводились в два этапа.

На первом этапе исследовалось общее напряжено-деформированное состояние объекта с максимальным учетом конструктивных параметров сопряжения. Моделирование такого геометрически сложного объекта в комплексе возможно только с применением объемной численной модели, что и было выполнено с применением стандартного решателя МКЭ.

Модель представляла собой вырезанную из массива область, содержащую комплекс выработок ствол-сопряжение. Учитывая двухосевую симметрию принятой расчетной схемы, в рассмотрении участвовала четверть вырезанной области с соблюдением всех необходимых граничных условий осесимметричной задачи.

Целью первого этапа исследований являлась общая оценка НДС породного массива, включающего комплекс сопряжения. Результатами расчетов явились картины распределения компонентов напряжений и деформаций, развивающихся под действием нагрузки в модели.

Полученные числовые данные затем подвергались дополнительной обработке с целью оценки конфигурации и размеров зоны неупругих деформаций (ЗНД), развивающейся в породном массиве в районе сопряжения.

Поскольку размер объемных элементов не позволял получать детальную картину НДС, потребовался второй этап исследований, целью которого являлся детальный анализ конфигурации ЗНД, степени разрушения элементов по ее площади и оценка величины перемещений разупрочняющихся пород.

Второй этап выполнялся на плоских моделях с применением специального алгоритма, учитывающего нелинейные эффекты разрыхления и разупроченения в пределах ЗНД. При этом величина эквивалентных напряжений определялась по формуле, выведенной из хорошо обоснованного критерия прочности Парчевского-Шашенко:

Анализ полученных результатов. Анализ результатов решения по первому этапу (объемная задача) показывает следующее. Распределение напряжений в крепи ствола и прилегающей выработки руддвора весьма неоднородно. Максимальные значения упругих напряжений (свыше 500 МПа) имеют место в крепи ствола, в непосредственной близости от сопряжения.

В целом анализ результатов расчетов на объемной модели показывает, что и локализация максимумов напряжений, и локализация основных деформаций, и наибольшие размеры ЗНД приурочены к зоне пересечения ствола с выработкой и распространяются на высоту до 15 м вверх от сопряжения и до 12-15 м вдоль примыкающей выработки руддвора. Вниз от сопряжения зона активного влияния распространяется на глубину до 12 м. Таким образом, реализация мероприятий по усилению крепи на сопряжении должна производиться вверх, вниз и вдоль выработки руддвора на расстоянии 12-15 м.

Результаты численного моделирования достаточно хорошо соотносятся с наблюдаемыми в шахте явлениями деформации крепи ствола и сопряжений горизонтов. Оценка перемещений породного контура производилась на втором этапе на плоских моделях. Они вырезались из объемной модели в пределах установленной выше зоны влияния. Учет влияния сопрягающихся выработок, при переходе от объемной задачи к плоской, выполнен введением коэффициента концентрации напряжений равного двум.

Анализ полученных на втором этапе решения результатов показывает следующее. Размеры ЗНД как для ствола, так и для примыкающей выработки руддвора, полученные в объемной модели и в плоских моделях, достаточно хорошо соотносятся - отклонение не превышает 10%.

Величины относительного радиуса ЗНД rL, отнесенного к радиусу выработки имеют значения, превышающие так называемый критический радиус rL≈3,0. Из этого следует, что в выработках может иметь место пучение пород, что и наблюдается в действительности.

Анализ полученных расчетом МКЭ смещений показывает, что их величина на контуре выработки (внешнем контуре крепи) достигает для участка ствола - 0,09-0,1 м вдоль всего контура, и для примыкающей выработки - 0,09-0,1 м для кровли, 0,07-0,09 м для боков, 0,04- 0,01 м для почвы.

Полученные результаты указывают, что большие размеры ЗНД, значительные нагрузки на жесткую крепь исследуемого объекта превышают несущую способность существующей крепи, поэтому следует включать в работу прилегающий массив. Это можно сделать, применяя такие высокотехнологичные элементы, как анкерные системы. Именно они и должны лечь в основу конструкции крепи усиления сопряжений вертикального ствола и горизонтов для рассматриваемых в работе условий.