автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Обоснование и расчет монолитной бетонной крепи стволов с учетом твердения бетона в тектоническом поле начальных напряжений

1

На правах рукописи

ц ДЕК 199В

Костенко Юрий Анатольевич

ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЕТ МОНОЛИТНОЙ БЕТОННОЙ КРЕПИ СТВОЛА С УЧЕТОМ ТВЕРДЕНИЯ БЕТОНА В ТЕКТОНИЧЕСКОМ ПОЛЕ НАЧАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Специальность 05.15.04 - С] рошельсгио шах! п подземных сооружении

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 1998

Работа выполнена в Тульском государственном университете

Научный руководитель Заслуженный деятель науки и техники РФ докт. техн. наук, проф. Булычев Н.С.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. М.Н. Шуплик канд. техн. наук, доц. Б .В. Евтушенко

Ведущее предприятие - ОАО "Тулауголь"

Защита диссертации состоится "<2¥ " } 998 г. в /Р_ час

на заседании диссертационного совета Д063.47.01 Тульскс государтвенного университета по адресу: 30060Ö, г. Тула, пр. Леши 92,9-101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульскс государственного университета.

Автореферат разослан ¿¿CVtfkS 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета докт. техн. наук, проф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРНО! ИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В связи с тем, что в последние годы наблюдается спад производства в промышленности, строительство подземных сооружений, а также средства, выделяемые на пего, резко сократилась. Исходя из этого, при сооружении вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях на первый план, наряду с жесткими требованиями к надежности и долговечности конструкции, выходит проблема экономии и рентабельности строительного производства.

Наиболее, сложными и трудоемкими .являются работы по сооружению вертикальных стволов, на долю которых приходится 2025% стоимости и 30-50% общей продолжительности строительства, поэтому в настоящее время выбор экономичного и надежного типа крепи является одной из главных задач шахтного строительства.

Э основном при проходке стволов получила распространение монолитная бетонная крепь из быстротвердеющего бетона при совмещенном способе проходки.

Тем не менее, при сооружении глубоких стволов в тектоническом поле начальных напряжений несущей способности обычной однослойной бетонной крепи, как правило, оказывается недостаточно. Вследствие этого, шахтостроители ререходят на более дорогостоящие виды крепи (железобетонные блоки, чугунные тюбинги), что приводит к резкому удорожанию строительства. Поэтому реще-Нне проблемы увеличения несущей способности монолитной бетонной креПи, надежности, экономичности сооружения, совершенствования методов расчету представляется в настоящее время актуальным и позволит существенно расширить область ее применения.

Цель работу заключается в разработке метода расчета монолитной бетонной крепи ствола с учетом подвигами* забоя и измене-

ния деформационных характеристик бетона крепи на ранней стадии его твердения, в том чйсле в тектоническом поле начальных напряжений, что обеспечивает расширение области применения монолитной бетонной крепи в сложных горно-геологических условиях.

Идея работы заключается в учете изменения деформационных и прочностных характеристик бетона на ранней стадии твердения при подвцгании забоя И их слияния на напряженное состояние и несущую способность крепи ствола.

Методы исследований: математическое и компьютерное моделирование напряженного состояния крепи на основе теории упругости.

Научные положения, разработанные лично соискателем,. и их новизна. , - '

1. Разработана математическая модель и метод расчета однослойной монолитной бетонной крени ствола в гравитационном и тектоническом ноле начальных напряжений с учетом совместного влияния подвиганця забоя ствола, деформационных характеристик пород и изменения деформационных характеристик бетона на ранней стадии его твердения.

2. Разработана математическая модель напряженно-деформированного состояния и метод расчета двухслойной монолитно» бетонной крепи ствола в тектоническом поле.начальных напряжений с разновременным возведением слоев с учетом подвигашн) забоя и изменения деформационных характеристик бетона крепи на ранней стадии его твердения, при значительном удалении рассматриваемого участка крепи от забоя.

3. Установлено влияние твердения бетона в ранцем возрасте на напряженное состояние и несущую способность-крепи в зависн-

мости от отношения главных начальных напряжений в массиве, толщины крепи н модуля деформации пород.

Достоверность паутих пслсхсепий, пьподов н рекомендаций обоснована применением апробированной математической модели монолитной бетонной крепи выработок круглого сечсння. достоверность которой установлена.

Научное значение работы заключается в разработке математических моделей взаимодействия монолитной бетонной крепи с массивом пород и методов расчета крепи с учетом твердения бетона.

Практическое значение работы заключается в разработке метода, алгоритма и пакета компьютерных программ для IBM совместимых компьютеров, реализующих расчет монолитной бетонной

т

крепи ствола для вертикальных выработок круглого сечения в гравитационном и тектоническом поле начальных напряжений.

Результаты диссертационных исследований приняты к пнелр"-ниго ОАО "Тулауголь".

• Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 1996г., 1997г., 1998г.), на заседании Первой региональной конференции "Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых Центрального региона Российской Федерации"(г. Тула, 1998г.).

Публикации. Пс теме диссертации опубликовано четыре работы.

Объем работы. Диссертация' состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 118 страницах машинописного текста, 24,рисунков, 4 таблиц, списка литературы из 96 наименований и приложений. .. -

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Важной особенностью современного шахтного строительства является существенное усложнение условий строительства, связанное с увеличением глубины разработки и усложнением горногеологических условий. Вертикальный шахтный ствол относится к наиболее ответственным объектам подземного строительства, сооружение которого характеризуется большой сложностью, трудо-. емкостью производства работ, а также большим объемом капитальных вложений. Поэтому успешное решение задач, связанных с обеспечением эксплуатационной надежности и долговечности горных выработок и подземных сооружений, во многом зависит от степени совершенства используемых методов прогнозирования механических процессов в окружающих породных массивах, а также методов расчета крепи. .

Развитие методов расчета крепи стволов прошло три основные стадии. .

На первой стадии крепь рассматривалась как конструкций, загруженная заданной нагрузкой (работы М.П. Бродского, В.И. Белова, А.П.Максимова, М.М. Протодьяконова, Н.М.Покровского, Ю.А.Онищенко, К.Терцаги, П.М.Ццмбаревича и др.). Имелось в виду, что сама крепь не оказывает влияния на величину и распреде-ление'действующих на нее нагрузок.

На второй стадии рассматривалось разделение действующих нагрузок на активные и пассивные ■ (работы Г.М.Крытое;!, Л.Б.Кашган, Ф.Ванслебен, Д.Дакиеля, О.Домке, Г.Линка, Ф.Мора,. Р.Фербера, М.Худека и др.).

- На третьей стадии развития теории расчета крепи стволов учитывалось взаимодействие крепи и пород (работы Ф.А.Белаенко, Н.С.Булычева, А.М.Козела, Г.А.Крупенникона, Ю.М.Либермана, К.В.Руппенейта, А.С.Строганова и др.).

В настоящее время в практике проектирования подземных сооружений большое распространение получили методы расчета крепи на основе принципа "контактного взаимодействия крепи с массивом пород, основанные на аналитических решениях соответствующих контактных задач теории упругости.

В работах Н.С.Булычева, Н.Н.Фотиевой и'в диссертационной работе М.Н Донец рассматривался расчет временной монолитной бетонной крепи с учетом подвигання забоя и изменения деформационных характеристик бетона в раннем возрасте.

В основу метода расчета монолитной бетонной крепи ствола в данной работе положен метод коэффициентов передачи напряжений (метод Н.С.Булычева). ' '

Начальный модуль деформации бетона в процессе твердения определяется из соотношения, полученного лабораторией железобетонных конструкций ЦНИИПС.

Набор прочности бетона на ранней стадии его твердения

определяется по корреляционной зависимости (коэффициент корре-

:' ' ' . • ■ о ' •

ляции 0,9900), полученной М.Н.Донец но результатам испытаний

контрольных образцов бетона при проходке стволов в Донбассе

(данные РЛ.Тюркяна):

Г)'

аДТ)=ос(Т0)

0,92 + 0,2341п

(1)

где Т„ - время набора нормативной прочности.

При разработке метода расчета однослойной монолитной бетонной крепи ствола в гравитационном н тектоническом поле на-

чальных напряжений учитывается подвигание забоя и изменение деформационных характеристик бетона на ранней стадии его твердения.

Нормальные тангенциальные напряжения на внутреннем и внешнем контуре сечения однослойной крепи определяются по формулам:

о'Ш =ун—УДа,(,)(---—-х

УН 2 к?»+1Й 1-А.к^

хкодГп^, +(к,(1'()3)п;2) .+^21(3)^2(2) )СО529),

(2)

, , 2 к^+Ш 4-Х. к™" - (3)

где нормальные тангенциальные напряжения на

внешнем ц внутреннем контуре крепи соответственно;

4"'- коэффициент вида напряженного состояния; ^ о(з) '^1*1(3) '^2^1(3) ~ коэффициенты передани напряжений через бесконечный слой; • Аа"(|)- приращение коэффициента а'10 для рассматриваемого

участка в результате подригания забоя. На рис. } доказаны зависимости максимальных нормальных тангенциальных напряжений р монолитной бетонной "крепи от возраста бетона и расстояния до забоя ствола в гравитационном поле начальных напряжений при Е/Е» = 22,3: ствол диаметром 8 м, толщина слоев Ыго= 0,075; Ыш = 0,100; Ыго = 0,125; и/го = 0Д50, класс бетона 830. В прочных породах (при Е/Ео 5 5} максимальные тангенциальные напряжения практически не зависят от толщины крепи.

В табл. 1 приведено сопоставление максимальных расчетных на-, пряжении в монолитной бетонной крепи, полученных с учетом и без учета твердения бетона в раннем возрасте при толщине крепи 1/го. Из данных табл. 1 следует, что в относительно слабых породах зависимость нормальных тангенциальных напряжений от толщины крепи не пропорциональна расходу бетона. Если не учитывать раннюю стадию твердения бетона, как это делается в настоящее.время, расчетные напряжения в крепи оказываются больше в 1,6 - 2,3 раза. Таким образом, учет твердения бетона в раннем возрасте вскрывает резервы несущей способности крепц стволов, как в прочных, так и в слабых породах. В табл. 2 приведены максимальные расчетные напряжения в крепи ствола, сооружаемого в тектоническом поле начальных напряжений в зависимости Ъг отношения главных напряжений и толщины крепи 1/го, с учетом твердения бетона на стадии стабилизации напряжений (Т=8-28 сут.). В табл.3 дано сопоставление максимальных расчетных напряжений в монолитной бетонной крепи с учетом и без учета твердения бетона в раннем возрасте в тектоническом поле начальных напряжений при отношении главных напряжений ¡^Г^/Ы, и при толщине крепи 1/го. Данные табл. 2 и 3 подтверждают выводы, сделанные выше для

гравитационного поля напряжений. Исследования показали', что

'О ' '

при расчете напряжений в крени необходимо учитывать изменение деформационных характеристик бетона в раннем возрасте, что обеспечивает расширений области применения монолитной бетонной крепи и позволяет более рационально использовать материал крепи. .

Учет твердения бетона в ранцем возрасте показывает уязвимость бетона в момент распалубки. Не набравший достаточной прочности бетон может быть деформирован, что может сказаться на

ю

■ несущей способности крепи.

Рис. 1. Зависимость максимальных, нормальных тангенциальных напряжений от возраста бетона Т и расстояния до забоя ствола 1 при Е/Ео = 22,3

Таблица 1.

Сопоставление максимальных расчетных, напряжений (аВл1„ )в мо-

• нолитной бетонной крепи с учетом (1) и без учета (2) твердения бетона в раннем возрасте . _~ _

Е/Ео Ип 5(2) /5(|) и0ша»/°вюах

0) ■ (2)

22,3 0,075 2,56 4.10* •1,6

0,1-00 2,27 . 3,38 1,5

0,125- 2,04 2,89 . 1.4 '

0,150 1,86 2,53 1,4

.2,2 0,075 0,46 1,12 • 2,4

0,100 0,46 • 1,09 ■ 2,4

0,125 0,46 1,05 . 2,3

0,150 0,46 1,02 2,2

Таблица 2.

Максимальные расчетные напряжения (оВти) п монолитной бетонной крепи на стадии стабилизации напряжений (ас= 8,34)

Е/Ео '4 . 3Ст.„.Пр|П/Г0 '

0,3 0,4 '0,5 0,6

0,3 3,04 2,73 2,56 2,44

22,3 0,5 2,92 2,60 2,41 2,28

0,7 2,79 2,46 2,26 2,11

1,0 2,56 2,27. 2,04 1,87

0,3 . 0,61 0,59 0,59 0,59

' 2,2 0,5 0,57 0,55 0,55 0,55

0,7 0,53 0,51 0,51 0,51

1,0 0,46 0,46 0,46 0,16

Таблица 3

Сопоставление максимальных расчетных напряжений (ствпмд)в монолитной. бетонной крепи с учетом (1) и без учета (2) твердения бетона в рацнем возрасте при £ = 0,3

Е/Ео ^Го ' а<2> /о("

(2)

22,3 0,075 3,04 4,82 1,6

0,100 2,73 4,32 1,6

0,125 2,56 4,05 1,6

0,150 .2,44 3,88 1,6

2,2 0,075 0,61 . 1,39 2,3

' . 0,100 0,53 1,35 2,3

0,125 . 0,59 1,31 2,2

0,150 0,59 1,28 2,2

Как показали ' исследования М.Н. Донец, проблема обеспечения надежности монолитной бетонной крепи может быть решена применением двухслойной крепи.

При разработке ■ метода расчета двухслойной монолитной бетонной крепи ствола и тектоническом поле начальных напряжений с разновременным возведением слоев учитывается подвигание забоя и изменение деформационных характеристик бетона крепи на ранней стадии его твердения, при значительном удалении рассматриваемого участка крепи от забоя.

Расчет нормальных тангенциальных напряжений на внешнем и внутреннем контуре сечения внешнего ■ слоя двухслойной крепи производится по формулам (2) и (3).

Нормальные тангенциальные напряжения на внешнем и внутреннем контуре внутреннего слоя двухслойной крепи определяются по формулам:

*^2)к<[|()3)т!(1) + {(^вдкп'з) -И'адкгкз))^!!) + . . (4)

И(Э) ~ ^22(2) ^21(3) )П2(1) } С0Б

хко(г)ко(3)т1(1) ~ {(МедМч!, "^адк^вд^чч + ^

где - нормальные тангенциальные напряжения на внешнем

и внутреннем контуре внутреннего слоя двухслойной . крепи соответственно; ко® -к 11(2)'>к'адкгед <^22(2)" коэффициенты передачи напряжений

через рнешиий бетоцный слон.

' . • о

На рис. 2а показаны зависимости максимальных нормальных тангенциальных напряжений в двухслойной монолитной бетонной крепи (напряжения во внешнем (1) и внутреннем (2) слое соответственно) п тектоническом поле начальных напряжений: ствол диаметром 8 м, толщина слоев ^/го = Хгко = 0,075, класс бетона В30. Возведение монолитной бетонной крепи в два слоя с учетом подвигания забоя и изменения деформационных характеристик бетона крепи в раннем возрасте позволяет в максимальной степени использовать несущую способность системы "наружный слой крепи - массив пород", воспринимающей значительную часть ■ нагрузки. Давление, передающееся на внутренний слой крепи снижается, что приводит к повышению общей несущей способности двухслойной крепи по сравнению с обычной монолитной бетонной крепи той же 'толщины. Представляет интерес рис. 26, из которого следует, что в неравно-компонентном поле начальных напряжений растягивающие напряжения в слоях крепи в прсцессе твердения бетона меняют знак (переходят в сжимающие напряжения).

На основе разработанных математических моделей составлен алгоритм и программа расчета монолитной бетонной крепи ствола в тектоническом поле начальных напряжений.

' Анализ работы монолитной бетонной крепи в гравитационном и тектоническом поле начальных напряжений позволил установить, что при расчете нормальных тангенциальных напряжений необходимо учитывать совместное влияние подвигания забоя стио-. яа, деформационных характеристик пород и изменения деформационных характеристик бетона на ранней стадий его твердения, что обеспечивает расширение области применения монолитной бетонной крепи в сложных горно-геологических условиях, повышение ее

/

несущей спрсобности н позволяет более рационально использовать материал крепи.

а ^гг.ах

Ы,

0,4 0,3 0,2 ол 0

1

/

/

ч2

1.2 3 4 5 6 ' '7 Т.СУТ-

б О

Ртах

N.

-0,02

-0,03

2/ 3 / г 4 ■ 5 .6 7 Т, сут

У

г2

А;I

Рис. 2. Зависимости црщмапщщ нормальных тангенциальных напряжений в тераническомполенёчальнЫх напряжений: сживающих (а) н растчгйваюцих (б) э двухслойной монолитной бе-тонно.^ крйпи от возраста бетонаТ: 1 - внещннй слой; 2-внутренний слой . . .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертационная работа является научной квалификационной работой, в которой содержится новое решение задачи разработки математической модели и метода расчета монолитной бетонной крепи ствола в гравитационном и тектоническом поле начальных напряжений с учетом подвигания забоя ствола и изменения деформационных характеристик бетона в раннем возрасте, что имеет существенное значение для шахтного строительства.

Основные результаты работы и выводы заключаются в следующем:

1. Разработана математическая модель и метод расчета однослойной монолитной бетонной крепи ствола п гравитационном и тектоническом поле начальных напряжений с учетом совместного влияния подвигания забоя и изменения деформационных характеристик бетона крепи на ранней стадии его твердения.

2. Разработана математическая модель напряженно-деформированного состояния и метод расчета двухслойной монолитной бетонной крепи ствола в тектоническом поле начальных напряжений с разновременным возведением слоев с учетом подвигания забоя и изменения деформационных характеристик бетона крепи на ранней стадии его твердения, при значительном удалении рассматриваемого участка крепи от забоя.

. 3, Установлено влияние твердения бетона.в раннем возрасте на напряженное состояние и несущую способность крепи в зависимости от отношения главных начальных напряжений в массиве, толщины крепи и модуля деформации пород.

4. Установлено, что в неравнокомронецтном поле начальных напряжений растягивающие напряжения в слоях крепи в процессе

твердения бетона меняют знак (переходят в сжимающие напряжения).

5. Проблема обеспечения надежности монолитной бетонной крепи в тектоническом поле начальных напряжений можег быть решена применением двухслойной крепи.

Разработанные математические модели имеют существенное научное значение для развития научной теории расчета крепи и решения важной практической задачи повышения несущей способности монолитной бетонной крепи вертикальных стволов, соору-• жаемых в сложных горно-геологических условиях.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Копылов С.И., Костенко Ю.А. Расчет крепи стволов в тектоническом ноле начальных напряжений при различных видах кол-тактов между крелыо и нородощУМеханика подземных сооружений. -Тула, 1998. - С. 54-57.

2. Костенко Ю.А., Копылов С.И., Козьменко В.И. Обоснование метода расчета и технологии возведения двухслойной крепи сгиола в тектоническом поле начальных напряжешш//Г1роблемы разработки месторождений полезных ископаемых Центрального региона РФ/Тез. докл. 1 -я региональная конф. - Тула, 1998. - С. 76-77.

3. Костенко Ю.А., Копылов С.И., Козьменко В.И. Расчет двухслойной крегф ствола в тектоническом поде начальных напряжений. //Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых Центрального региона РФ/Тез. докл. 1-я региональная конф. - Тула, 1998,-С. 44-45.

4. Савин И.И., Костенко Ю.А. Обоснование параметров двухслойной крецн стволов на основе обработки результатов натурных Шмеренпй//Механнка подземных сооружении. - Тула, 1998,- С.39-45.

Ill, мин JH<> й ui'iaii t'b ** ^ Г бум*г.» tUySH 1/1 в Б>ма| j lHlioipu4>Uiai ЛЬ 2

Офи 1,и,.. ■ , '.tn.. Vui i.'. < * fjl . Усл. hp.-oil. ^ ' Лч.шд.л. <,

lnp.it ,• I 1..1

I, ui,.mi i ч ,.. .i i i.i ...i ii=i ; и .4sc;tcii Ui. н'мкпК1, i. i j.iUj tip. Лшяна, 92.

1', UK.iiii Him- in ..¡.кн.: ; , ■ 11 i i »> I j.ibtKuin I oe> д ар,: i ыгчииго jmiBcpcuieTft.

i|Kit.iii( i 1 у l,i, \ I I in''- '' I -—

Тульский государственный университет

На правах рукописи

КОСТЕНКО Юрий Анатольевич

ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЕТ МОНОЛИТНОЙ БЕТОННОЙ КРЕПИ СТВОЛА С УЧЕТОМ ТВЕРДЕНИЯ БЕТОНА В ТЕКТОНИЧЕСКОМ ПОЛЕ НАЧАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Специальность 05.15.04-Строительство шахт и подземных сооружений

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники доктор техн. наук, проф. Н.С. Булычев

Тула 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................................................4

1. Состояние вопроса, цели и задачи исследования........:...............9

Краткое заключение по главе 1......................................................39

2. Математическая модель и метод расчета однослойной монолитной бетонной крепи ствола в гравитационном и тектоническом поле начальных напряжений.........................43

2.1. Учет влияния подвигания забоя..............................................45

2.2. Учет набора прочности бетона крепи в раннем возрасте......47

■ -<А

2.3. Учет ползучести пород..............................■... ..................51

2.4. Метод расчета однослойной монолитной бетонной крепи вертикального ствола в гравитационном и тектоническом поле начальных напряжений.................................................52

Краткое заключение по главе 2......................................................88

3. Метод расчета двухслойной монолитной бетонной крепи вертикального ствола в тектоническом поле начальных

напряжений................................................................................89

Краткое заключение по главе 3......................................................94

4. Программное обеспечение методов расчета монолитной бетонной крепи ствола в гравитационном и тектоническом

поле начальных напряжений...............:....................................95

Краткое заключение по главе 4.................................................100

Заключение....................................................................................101

Список литературы

105

ВВЕДЕНИЕ

Вертикальные стволы являются уникальными инженерными сооружениями по масштабу и сложности решаемых технических задач в период строительства и эксплуатации подземных коммуникаций. При строительстве и реконструкции горных предприятий выполняются значительные объемы строительно-монтажных работ на поверхности шахт и по сооружению капитальных горных выработок. Наиболее сложными и трудоемкими являются работы по сооружению вертикальных стволов, на долю которых приходится 20-25 % стоимости и 30-50 % общей продолжительности строительства.

Особенно резко возрастают затраты при сооружении стволов в сложных горно-геологических условиях, характеризующихся наличием трещиноватых, слабых и обводненных пород, большой глубиной, тектоническим полем напряжений в массиве. В этом случае к конструкции крепи ствола и технологии работ предъявляются специфические требования. Выбор конструкции крепи и правильный ее засчет являются основными факторами, обеспечивающими безремонтное поддержание ствола в течение проектного срока эксплуатации, бесперебойное его функционирование, а также всего подземного предприятия.

В связи с тем, что в последние годы наблюдается спад производства

в промышленности, строительство подземных сооружений, а также средства, выделяемые на него, резко сократились. Исходя из этого, в последние годы при сооружении вертикальных стволов в сложных горногеологических условиях на первый план, наряду с жесткими требованиями к надежности и долговечности конструкции, выходит проблема экономии и рентабельности строительного производства. Так как стоимость крепления составляет более 50 % стоимости сооружения всего ствола, поэтому, в настоящее время выбор экономичного и надежного типа крепи является одной из главных задач механики подземных сооружений.

В основном при проходке стволов в обычных условиях получила распространение монолитная бетонная крепь из быстротвердеющего бетона при совмещенном способе проходки.

Тем не менее, при сооружении глубоких стволов в тектоническом поле начальных напряжений несущей способности обычной однослойной бетонной крепи, как правило, оказывается недостаточно. В следствии этого, шахтостроители переходят на более дорогостоящие виды крепи (железобетонные блоки, чугунные тюбинги), что приводит к резкому удорожанию строительства. Поэтому решение проблемы увеличения несущей способности монолитной бетонной крепи представляется в настоящее время актуальным и позволит существенно расширить область ее применения.

Цель данной диссертационной работы заключается в разработке ме-

тода расчета монолитной бетонной крепи ствола с учетом подвигания забоя и изменения деформационных характеристик бетона крепи на ранней стадии его твердения, в том числе в тектоническом поле начальных напряжений, что обеспечивает расширение области применения монолитной бетонной крепи в сложных горно-геологических условиях.

При постановке и решении задач в данной работе учитывались изменения деформационных и прочностных характеристик бетона на ранней стадии твердения при подвигании забоя и их влияния на напряженное состояние и несущую способность крепи ствола.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель и метод расчета однослойной монолитной бетонной крепи ствола в гравитационном и тектоническом поле начальных напряжений с учетом совместного влияния подвигания забоя и изменения деформационных характеристик бетона крепи на ранней стадии его твердения;

- разработана математическая модель напряженно - деформированного состояния и метод расчета двухслойной монолитной бетонной крепи ствола в тектоническом поле начальных напряжений с разновременным возведением слоев с учетом подвигания забоя и изменения деформационных характеристик бетона крепи на ранней стадии его твердения, при значительном удалении рассматриваемого участка крепи от забоя.

- установлено влияние твердения бетона в раннем возрасте на напряженное состояние и несущую способность крепи в зависимости от отношения главных начальных напряжений в массиве, толщины крепи и модуля деформации пород.

- установлено, что в неравнокомпонентном поле начальных напряжений растягивающие напряжения в слоях крепи в процессе твердения бетона меняют знак (переходят в сжимающие напряжения).

- проблема обеспечения надежности монолитной бетонной крепи в тектоническом поле начальных напряжений может быть решена применением двухслойной крепи.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением апробированной математической модели монолитной бетонной крепи выработок круглого сечения, достоверность которой установлена.

Практическое значение работы заключается в разработке метода, алгоритма и пакета компьютерных программ для IBM совместимых компьютеров, реализующих расчет монолитной бетонной крепи ствола для вертикальных выработок круглого сечения в тектоническом поле начальных напряжений.

Результаты диссертационных исследований приняты к внедрению ОАО "Тулауголь".

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Копылов С.И., Костенко Ю.А. Расчет крепи стволов в тектоническом поле начальных напряжений при различных видах контактов между крепью и породой/Механика подземных сооружений.-Тула, 1998.- С.54-57.

2. Костенко Ю.А., Копылов С.И., Козьменко В.И. Обоснование метода расчета и технологии возведения двухслойной крепи ствола в тектоническом поле начальных напряжений//Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых Центрального региона РФ/Тез. докл. 1-я региональная конф. - Тула, 1998. - С. 76-77.

3. Костенко Ю.А., Копылов С.И., Козьменко В.И. Расчет двухслойной крепи ствола в тектоническом поле начальных напряжений//Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых Центрального региона РФ/Тез. докл. 1-я региональная конф. - Тула, 1998. - 44-45.

4. Савин И.И., Костенко Ю.А. Обоснование параметров двухслойной крепи стволов на основе обработки результатов натурных измере-ний//Механика подземных сооружений. - Тула, 1998. - С.39-45.

1. Состояние вопроса, цели и задачи исследования

Важной особенностью современного шахтного строительства является существенное усложнение условий строительства, связанное с увеличением глубины разработки и усложнением горно-геологических условий. Вертикальный шахтный ствол относится к наиболее ответственным объектам подземного строительства, сооружение которого характеризуется большой сложностью, трудоемкостью производства работ, а также большим объемом капитальных вложений. Поэтому успешное решение задач, связанных с обеспечением эксплуатационной надежности и долговечности горных выработок и подземных сооружений, во многом зависит от степени совершенства используемых методов прогнозирования механических процессов в окружающих породных массивах, а также методов расчета крепи.

В настоящее время при креплении вертикальных стволов шахт и рудников наибольшее распространение получила монолитная бетонная крепь, объем применения которой составляет около 96 %. Эта крепь(за исключением облегченной) по сравнению с другими самая дешевая, а процесс ее возведения поддается почти полной механизации. Бетонная крепь долговечна, обладает высокими аэродинамическими качествами, при хо-

рошем качестве работ по ее возведению она лишена швов и является водонепроницаемой. Следует также учитывать сцепление монолитного бетона с окружающими породами, что обеспечивает благоприятные условия нагру-жения крепи. Бетонная крепь испытывает в основном сжимающие напряжения и способна воспринимать значительные нагрузки. Даже появление трещин в бетоне не означает, что несущая способность крепи исчерпана. В этом случае трещины играют роль своеобразных узлов податливости и шарниров, благодаря чему изгибающие моменты перераспределяются и крепь может длительное время без ремонта поддерживать равновесие в системе "крепь - массив пород".

Развитие методов расчета крепи стволов прошло три основные стадии.

На первой стадии крепь рассматривалась как конструкция, загруженная заданной (активной) нагрузкой, принимаемой на основании существовавших тогда гипотез горного давления.

Предполагалось, что сама крепь не оказывает влияния на величину и распределение действующих на нее нагрузок.

По отношению к вертикальным выработкам можно выделить следующие основные гипотезы: восстановления естественного напряженного состояния массива пород; гипотезы свода; гипотезу об отсутствии давления на крепь стволов в скальных породах. С позиций гипотезы восстановления

естественного напряженного состояния пород вблизи ствола давление на его крепь соответствует боковому давлению в массиве пород (напряжениям бокового распора). На этой гипотезе основаны исследования ММ. Протодьяконова /58/, П.М. Цимбаревича /82/, А.Н. Динника /27/, А.П. Максимова/51/, В.И. Белова/9/.

Особенностью гипотезы восстановления является признание линейной зависимости давления на крепь от глубины.

Гипотеза полного веса пород была сменена гипотезой свода. Ее появление и признание было вызвано значительным увеличением глубины разработок. К тому времени опыт показал, что давление на крепь, как правило, не возрастает пропорционально глубине; выработки, пройденные на глубине сотен метров от поверхности, надежно защищены крепью, способной выдержать вес столба пород высотой лишь в несколько метров. Это дало повод предположить, что давление на крепь определяется не весом столба пород до поверхности, а лишь весом замкнутого их объема над выработкой (или вблизи нее), ограниченного сводом. В этом направлении можно отметить работы М.П. Бродского /14/ и К. Терцаги /82/, методику П.М. Цимбаревича- Ю.А. Онищенко /58/.

Гипотезу об отсутствии давления на крепь ствола в скальных породах наиболее обосновано высказал в своей работе Н.М. Покровский /59/. Она отнесена к гипотезам горного давления, хотя в данном

случае доказывается его отсутствие, поскольку доказательства исходят из положения, что если бы это давление существовало, то оно представляло бы нагрузку типа веса покоящегося объема породы.

Среди зарубежных ученых, занимавшихся вопросом расчета крепи вертикальных стволов, на этом этапе можно особо выделить Р. Фербера, О. Домке, Ф. Мора и Г. Линка. Р. Фербер /92/ впервые предложил принимать нагрузку ствола неравномерной, для чего ввел понятие коэффициента неравномерности нагрузок и показал, что с его увеличением несущая способность крепи уменьшается. О. Домке /91/, развивая идею Ф.Фербера, предположил, что причиной неравномерности нагрузки на крепь является влияние сползающего слоя, вызывающего добавочное давление в виде радиальной нагрузки, равномерно распределенной на четверти периметра сечения ствола. Г.Линк /93/, рассматривая схему нагружееия крепи, заметил, что помимо радиальной на крепь должна действовать касательная нагрузка, которая усугубляет неравномерность радиальной нагрузки.

На основе анализа первой стадии развития методов расчета крепи стволов следует, что расчетные нагрузки принимаются из общих соображений и не согласуются с фактическими действующими, что было обнаружено в дальнейшем в результате более строгих аналитических исследований и особенно экспериментов. Вместе с тем, нельзя не отметить эффективность многих предложений, в частности, учи-

тывающих неравномерность внешних нагрузок.

Расчетные схемы, разработанные на первой стадии развития теории расчета крепи, применяются и в настоящее время при расчете крепи в слабых водонасыщенных породах (супеси, суглинки, илы, плывуны). Крепь рассматривается как свободно деформируемая конструкция. Предполагается, что указанные породы не могут оказать сопротивления деформациям крепи.

Вторая стадия развития теории расчета крепи стволов характеризуется разделением действующих нагрузок на активные, определяемые гипотезами горного давления, и пассивные, вызываемые отпором пород в результате упругих деформаций крепи под действием активных нагрузок. Немецкие ученые (Ф. Мор, Г. Линк, Ф. Ванслебен), развивая идеи О. Домке, разработали методику расчета крепи стволов, в основу которой положено представление о дополнительных неравномерных нагрузках, действующих на крепь помимо основных равномерных нагрузок со стороны массива пород.

Согласно утверждениям Г. Линка /93/ неравномерность нагрузок вызывается неравнокомпонентностью поля начальных напряжений в массиве пород. Деформации крепи ствола при неравномерной нагрузке препятствует порода, которая создает противодавление (пассивный отпор), уменьшающее неравномерность нагрузки.

Ф. Ванслебен /96/ предложил определять степень неравномер-

ности нагрузок на крепь ствола, исходя из предположения о невозможности перемещений крепи в сторону массива пород. Однако в полученных им зависимостях степень неравномерности зависит только от характеристик крепи и не зависит от пород.

С последним Г. Л инк не мог согласиться. В своем подходе к этому вопросу он показал, что степень неравномерности нагрузок, наоборот, целиком зависит от свойств массива пород и совершенно не зависит от свойств крепи. Однако правильный путь для определения величины добавочного давления Г. Линк видел в рациональном сочетании рассмотренных подходов.

Методику расчета крепи стволов под действием активной нагрузки с учетом пассивного отпора пород предложил Г.М. Крытов /20/. Согласно этой методики под действием активных нагрузок на определенных участках крепь смещается в сторону массива пород. В результате расчета определяются последовательно активная и пассивная нагрузка, а также возникающие от них внутренние усилия в крепи.

Л.М. Емельянов /20/ в своих работах рассмотрел общий вид за-гружения крепи в виде кругового кольца активными нагрузками.

Дополнительные (пассивные) нагрузки на крепь возникают по мнению автора в результате упругих деформаций крепи и ее взаимодействия с породами. В работах Л.М. Емельянова высказан ряд прин-

ципиальных положений, близких к современным представлениям о работе крепи.

Все методики расчета, в которых нагрузка на крепь разделяется на активную и пассивную, имеют одно слабое место - определение активной нагрузки. В данном случае активная нагрузка не следует из расчетной схемы, а определяется произвольно. Общепринятая расчетная схема, когда активная нагрузка распределяется по части контура сечения выработки, может быть принята лишь в частных случаях, например, когда взаимодействие пород и крепи характеризуется жестко-пластической моделью массива пород. В подавляющем большинстве случаев деление нагрузки на активную и пассивную является искусственным и не соответствует действительным условиям нагружения крепи.

На современной третьей стадии развития теории расчета крепи стволов существуют два метода расчета. По первому методу крепь рассматрива