автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Напряженное состояние массива пород вокруг вертикальной выработки, закрепленной анкерами

Тульский государственный университет

На правах рукописи

ШЕЛЕШНЕВ Михаил Дмитриевич

НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МАССИВА ПОРОД ВОКРУГ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ, ЗАКРЕПЛЕННОЙ АНКЕРАМИ

Специальность 05.15.04 - Строительство шахт и подземных сооружений

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат техн. наук, доцент Р.Ю.Завьялов

Тула 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ .................................................... 4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И АНАЛИЗ РАБОТ ПО МЕТОДАМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ АНКЕРОВ НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРОДНОГО МАССИВА........ 11

1.1 Основные направления теории расчета анкерной крепи........ 11

1.2 Методы исследования напряженного состояния пород выработок, закрепленных анкерам^* ;*:''■.................25

Краткое заключение по главе 1.

Цели и задачи исследований..................................46

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ПОРОД ВОКРУГ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ КРУГЛОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ, ЗАКРЕПЛЕННОЙ АНКЕРАМИ.................................49

2.1 Исследование закономерности распределения компонентов напряжений в массиве пород

вокруг выработки, закрепленной анкерами..................60

Краткое заключение по главе 2................................74

3. ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ПОРОД ПО

ФАКТОРУ РАЗРУШЕНИЯ.......................................75

3.1 Исследование устойчивости массива пород вокруг вертикальной выработки, закрепленной

анкерной крепью.........................................81

Краткое заключение по главе 3.....................................91

4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА И ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА КОМПОНЕНТОВ НАПРЯЖЕНИЙ В МАССИВЕ ПОРОД ВОКРУГ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ, ЗАКРЕПЛЕННОЙ АНКЕРАМИ......93

4.1. Общие сведения о программном обеспечении..................... 93

4.2. Алгоритмы программ..........................................96

4.2.1. Программа RM1.............................................96

4.2.2. Программа STEMNP.........................................99

4.2.3. Программа ZRU.............................................99

4.2.4. Программа NEW............................................102

Краткое заключение по главе 4.....................................104

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................. . . . 105

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

109

В современном подземном и шахтном строительстве основными вопросами были и остаются вопросы прочности и устойчивости, надежности и долговечности подземных сооружений и возводимых в них конструкций, контактирующих с окружающим породным массивом. Этим вопросам были посвящены труды многих ученых. Однако обеспечение указанных выше критериев сильно зависит от степени совершенства используемых методов прогноза механических процессов в окружающих выработки массивах горных пород и методов расчета собственно подземных инженерных конструкций и коммуникаций.

До недавнего времени к крепи горных выработок и подземных сооружений при проектировании и расчете подходили как к обычной конструкции, расчленяя расчет на три стадии: определение внешних нагрузок, определение внутренних сил и проверку прочности конструкции. Крепь рассматривалась либо вне массива пород, воздействие которого заменялось внешними нагрузками, либо как конструкция на упругом основании, испытывающая кроме внешних «активных» нагрузок еще и упругий «пассивный» отпор со стороны основания (обычно Винклеровского основания). Поскольку расчет собственно конструкции (определение внутренних усилий и проверка прочности) сам по себе трудностей не представлял, то проблема расчета крепи в целом отождествлялась с проблемой определения (прогноза) нагрузок на крепь. Предполагалось, что можно изучить закономерности нагружения крепи и таким образом решить проблему ее расчета и проектирования.

В течение многих десятилетий проблемой определения нагрузок на крепь занималась экспериментальная и теоретическая механика горных пород. Были предложены многочисленные теории (гипотезы) горного давления: плит, балок, свода давления, свода обрушения, сползающего объема и др.

В результате экспериментальных исследований было накоплено большое число данных натурных измерений, результатов физического моделирования и теоретических исследований, изучены процессы, протекающие в массиве пород при сооружении в нем выработок, и закономерности взаимодействия массива с крепью.

В процессе исследований в недрах традиционных представлений о работе крепи как обычной конструкции, находящейся под действием внешних сил, появились новые понятия, не укладывающиеся в эти представления, но пока существующие с ними. К числу таких понятий относятся понятие «взаимодействие крепи с массивом» и понятие «система крепь-массив». Развитие механики горных пород привело к важному выводу, что проблема определения внешних нагрузок на крепь не может решиться сама собой без рассмотрения каждой конкретной конструкции крепи в конкретном массиве пород. В силу взаимодействия крепи с массивом пород и совместности их деформирования крепь при расчете принципиально нельзя рассматривать вне массива. Такой результат стал очень важным, так как заставил в корне переосмыслить научные позиции и искать новые пути решения проблемы. Поиски новых путей привели к открытию на очередном витке развития известной расчётной схемы - схемы контактного взаимодействия крепи с массивом, в которой крепь и массив рассматриваются как элементы единой деформируемой системы. Указанная схема стала логическим завершением представлений о взаимодействии крепи с массивом пород, о системе «крепь-массив», и объединила накопленные механикой горных пород факты в стройную систему.

Переход к новой расчётной схеме ознаменовал качественный скачок в развитии теории расчёта подземных конструкций. Это выразилось, в первую очередь, в коренном пересмотре представлений о действующих нагрузках, в качестве которых при расчете на горное давление выступают массовые силы тяжести пород или, в общем случае - компоненты начального поля напряжений в нетронутом массиве, формируемого под влиянием гравитационных и тектонических сил. Нагрузки на крепь (контактные напряжения) уже не

представляют собой исходных данных при расчете крепи, а рассматриваются как следствие деформирования массива с выработкой под действием внешних сил и определяются в процессе единого расчета крепи одновременно с нахождением внутренних сил (напряжений) в самой крепи.

При обращении к концепции совместного деформирования крепи с массивом пород мы имеем дело с контактной задачей механики деформируемого твердого тела, математический аппарат которой (теория аналитических функций комплексного переменного, метод конформных отображений, использование свойств интеграла типа Коши и т.п.) на несколько порядков сложнее, чем при использовании традиционных расчётных схем, которые имеют дело с элементарной статически неопределимой рамой, статически неопределимой стержневой системой или системой на упругом основании, расчет которых принципиальных затруднений не вызывает.

Благодаря принципу взаимодействия крепи с массивом в механике подземных сооружений достигнуто единство подходов к расчету закреплённых и незакреплённых выработок, к расчету подземных сооружений на все виды статических и динамических воздействий (горное давление, давление подземных вод, внутренний напор, сейсмические воздействия землетрясений, динамическое воздействие взрывов и т.п.). Представление о массиве пород как о единой деформируемой среде, ослабленной подкрепленной или непод-крепленной полостью, моделирующей подземное сооружение, обеспечило требование взаимного соответствия современных методов исследования подземных сооружений, что является одним из центральных методологических критериев научности.

Указанный принцип распространён и на все виды крепи, включая анкерную и набрызгбетонную.

В настоящее время разработке методов расчета различных видов анкерной крепи посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых, основанных преимущественно на положениях строительной механики.

В ТулГУ разработаны соответствующие основным принципам механики подземных сооружений методы расчета анкерной крепи, базирующиеся на учете взаимодействия крепи с массивом пород, как элементов единой деформируемой системы, которые позволяют учесть несущую способность массива пород и обоснованно определять плотность установки анкеров, их параметры (длину, диаметр). Однако до настоящего времени мало изучено напряженное состояние массива пород вокруг выработки, закрепленной анкерами. Этому вопросу посвящены, в основном, работы, базирующиеся на натурных измерениях, испытаниях моделей выработок оптически-поляризационным, тензометрическим и другими методами.

Имеющиеся теоретические методы определения напряженного состояния массива пород вокруг выработки требуют дальнейшего развития.

Таким образом, разработка аналитических методов определения напряженного состояния массива пород вокруг закрепленной анкерами выработки, основанных на современных представлениях механики подземных сооружений о совместной работе анкерной крепи с массивом пород, является актуальной задачей механики подземных сооружений.

Целью данной диссертационной работы является разработка аналитического метода расчета компонентов напряжений в массиве пород вокруг вертикальной выработки круглого поперечного сечения, закрепленной анкерами, контактирующими с массивом пород по всей длине стержней, на основе исследования взаимодействия анкерной крепи с массивом пород как элементов единой деформируемой системы, что позволит обоснованно оценивать влияние анкеров на устойчивость массива и обеспечить повышение эффективности ее применения.

При постановке и решении задач в данной работе учитывались следующие факторы: глубина ствола, прочностные и деформационные характеристики элементов крепи и массива пород, взаимного влияние анкеров в рассматриваемом сечении, влияние анкеров на массив, окружающий выработку, длина анкеров и расстояние между ними.

Работа состоит из четырёх глав.

В первой главе анализируется состояние вопросов, связанных с методами определения воздействия анкеров на напряженное состояние породного массива, сформулированы цели и задачи исследований.

Во второй главе разработан аналитический метод расчёта воздействия анкерной крепи на напряженное состояние массива пород вокруг вертикальной выработки круглого поперечного сечения, закреплённой анкерами, на основе принципа контактного взаимодействия анкерных стержней с линейно-деформируемым массивом. Приведены исследования распределения компонентов напряжений вблизи выработки от влияющих факторов.

В третьей главе рассмотрена применимая к расчёту напряжённого состояния массива пород методика оценки устойчивости пород по конфигурации и размерам условных зон неупругих деформаций вокруг выработки. Приведены исследования распределения границ возможных (условных) зон неупругих деформаций (разрушения) пород вокруг выработки, закрепленной анкерами от влияющих факторов.

В четвертой главе изложен алгоритм расчёта компонентов напряжений в массиве пород, вокруг вертикальной выработки круглого поперечного сечения, закреплённой анкерами и оценки устойчивости пород по конфигурации и размерам возможных (условных) зон неупругих деформаций пород вокруг выработок, а также приведено описание пакета программ для расчёта на персональной ЭВМ типа IBM.

Научная новизна работы заключается в следующем: - разработан метод расчета компонентов напряжений в массиве пород вокруг выработки, закрепленной анкерами контактного типа, в равнокомпо-нентном поле начальных напряжений, на основе аналитических решений задач теории упругости об определении напряженного состояния упругой плоскости, моделирующей массив пород, ослабленной круговым отверстием от действия сосредоточенных сил, моделирующих выработку, закрепленную системой анкеров.

- установлены зависимости распределения компонентов напряжений в массиве пород в сечении ствола при действии гравитационного поля начальных напряжений для выработки, закреплённой анкерами контактного типа от основных влияющих факторов - длины и площади поперечного сечения анкеров, плотности их установки в выработку, деформационных и прочностных характеристик материала анкера и массива пород. Исследовано влияние анкеров на повышение устойчивости массива, определены границы возможных (условных) зон неупругих деформаций (разрушения) в массиве пород вокруг вертикальной выработки, закреплённой анкерами от основных влияющих факторов - длины анкеров, плотности их установки в выработку, прочностных характеристик массива пород.

Достоверность полученных результатов и научных выводов обеспечивается удовлетворением граничных условий и контролем правильности полученных решений.

Практическое значение работы состоит в разработке алгоритма и пакета прикладных программ для ПЭВМ определения напряжённого состояния массива пород, ослабленного вертикальной выработкой круглого поперечного сечения и закрепленной системой анкеров, оценки устойчивости пород по конфигурации и размерам условных зон неупругих деформаций пород вокруг выработки, которые могут быть использованы при выборе параметров анкерной крепи.

Результаты диссертационных исследований приняты к внедрению ЗАО «Тоннельпроект».

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Шелешнев М.Д. К вопросу расчёта анкерной крепи // Тезисы 51-й международной конференции по строительству и архитектуре. Санкт-Петербург. 1996 г. С. 130-135.

2. Шелешнев М.Д. Напряженное состояние массива пород вокруг вертикальных выработок, закреплённых анкерами // Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов. Тула. 1998 г. С. 194 - 200.

3. Завьялов Р.Ю., Гусаров Д.Л., Шелешнев М.Д. Сосредоточенная сила в упругой плоскости, ослабленной эллиптическим отверстием, применительно к расчету анкерной крепи // Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов. Тула. 1998 г. С. 170 - 177.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА H АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ АНКЕРОВ НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

ПОРОДНОГО МАССИВА

1.1 Основные направления теории расчета анкерной крепи

Расчетам анкерной крепи посвящено большое число работ отечественных и зарубежных ученых. Анализ результатов исследований, выполненных З.С. Бейлем, A.A. Борисовым, А. Джонстоном, А. Костом, Г.И. Кравченко, Е.Я. Махно, В.Н. Семевским, О.В. Тимофеевым, А.Т. Толпакороевым, А.П. Широков,ым, Б.К. Чуканом, А. Югоном, А.И. Юрченко и другими отечественными и зарубежными учеными показал, что существующие представления об анкерной крепи горных выработок можно свести к следующим основным теориям.

Первая теория - сшивки пород. По этой схеме скрепленные анкерами породы до образования трещин работают как единая система, сопротивление изгибу которой выше, чем суммарное сопротивление отдельных нескреплен-ных слоев той же толщины. После проявления трещин образуются блоки, связывающим элементом которых являются анкеры. Развитию данной теории посвящены работы Д.М. Голицинского, Г.И. Кравченко, А.П. Широкова /2,25,50,97,98/.

Вторая - теория «подвешивания» непосредственной кровли к основной, согласно которой разрушенные породы непосредственной кровли подвешиваются к более прочным породам основной кровли. При этом анкеры устанавливаются за пределами естественного свода обрушения и воспринимают нагрузку от веса или толщи пород непосредственной кровли. Расчет

анкерной крепи по данной гипотезе сводится к определению величины нарушенной зоны и предельной прочности закрепления анкера в массиве. Данная теория подробно исследована в работах Э.Г. Газиева, П.М. Денисова, Ю.З. Заславского, Э.В. Каспарьяна/9,24,27,40,48,82/.

Третья - гипотеза, учитывающая влияние анкеров на напряженно-деформированное состояние породного массива вблизи выработки. Данный подход представляется наиболее физически верным, и расчет анкерной крепи основывается на воздействии ее на напряженно-деформированное состояние окружающего выработку массива. Данной гипотезе посвящены работы Ж.С. Ержанова, Ю.Н. Серегина, В.Д. Егорова, Г.И. Кравченко, Л.Л. Старчевской /32,33,50-53,82/.

Четвертая - энергетическая теория. Указанную гипотезу взаимодействия анкера и массива рассматривает автор работ /102,103/. Данная теория основывается на том, что в процессе деформаций массива пород с выработкой, подкрепленной анкерами, уменьшается его энергетический потенциал, причем часть его расходуется на необратимые виды энергии, приводящим к разрушению, а часть идет на растяжение анкеров. Энергетическая точка зрения физически наглядна, однако имеет большое число допущений. Однако в работах /2,24,25,27,40,48,50/ большое внимание уделено непосредственно расчетам анкерной крепи, ее параметрам и типам крепей и малое - влиянию анкерной крепи на массив.

Современный этап развития механики подземных