автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Обоснование и разработка метода расчета ледопородных ограждений некруговой формы при проходке стволов способом замораживания

/", ..-у ' / .„У-* : /

/ ' . / . V - Л/ / /

Министерство общего и профессионального образования РФ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ХУ Сяндон

УДК 622.692.24

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ЛЕДОПОРОДНЫХ ОГРАЖДЕНИЙ НЕКРУГОВОЙ ФОРМЫ ПРИ ПРОХОДКЕ СТВОЛОВ СПОСОБОМ ЗАМОРАЖИВАНИЯ

Специальность 05.15.04 «Строительство шахт и подземных сооружений»

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель докт. техн. наук, проф. КАРТОЗИЯ Б. А.

Москва 1999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................3

1. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ТЕОРИИ И ПРАКТИКЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕДОПОРО ДНЫХ ОГРАЖДЕНИЙ.......................7

1.1. Состояние вопроса проектирования ледопородного ограждения при сооружении шахтных стволов................................................................7

1.2. Анализ методов расчета ледопородных ограждений......................... 14

1.3. Анализ исследования по определению температурного поля ледопородных ограждений...................................................................33

1.4. Анализ исследования по определению некоторых параметров механического свойства мерзлых грунтов........................................... 46

1.5. Анализ опыта проектирования ледопородных ограждений в Китае. 49

1.6. Основные выводы, постановка цели и задачи исследования.............50

2. ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЛЕДОПОРОДНЫХ ОГРАЖДЕНИЙ...........................................................................................53

2.1. Выбор и обоснование метода исследования напряженно-деформированного состояния ледопородных ограждений................. 53

2.2. Проверка метода программой ПАС путем решения тестовых

задач.......................................................................................................56

2.2.1. Решение задачи для однородного изотропного кругового ледопородного ограждения по классической схеме....................57

2.2.2. Решение тестовой задачи для неоднородного кругового ледопородного ограждения...........................................................65

2.3. Выводы по главе...................................................................................75

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЛЕДОПОРОДНОГО ОГРАЖДЕНИЯ

С УЧЕТОМ РАЗЛИЧНЫХ ВЛИЯЮЩИХ ФАКТОРОВ...........................76

3.1. Моделирование однородного ледопородного ограждения круглого сечения для выявления особенности взаимодействия ледопородного ограждения с массивом пород при использовании схемы совместного деформирования....................................................................................76

3.1.1. Влияние соотношения модулей деформации на напряженно-деформированное состояние ЛПО и массива..............................79

3.1.2. Определение критериев осесимметричного напряженно-деформированного состояния однородного ЛПО круглого сечения....85

3.1.3. Влияние соотношений нагрузок и модулей деформации на осесимметричность напряженно-деформированного состояния ЛПО................................................................................................89

3.1.4. Критерий возникновения растягивающих напряжений <тг, е^.... 99

3.1.5. Влияние отклонения формы ЛПО от правильной круговой на осесимметричность напряженно-деформированного состояния

ЛПО..............................................................................................104

3.2. Моделирование ледопородного ограждения неравномерного сечения для исследования влияния различных факторов на напряженно-деформированное состояние ледопородного ограждения................106

3.2.1. Обоснование нового метода определения температурного

поля.............................................................................................. 106

3.2.2. Моделирование ледопородного ограждения неравномерного сечения и анализ его напряженно-деформированного состояния.....................................................................................111

3.2.3. Исследование влияния наличия крепи.......................................147

3.3. Моделирование процесса проходки главного ствола Шахты Сецяо в глубоком залегании глины большой мощности................................170

3.3.1. Общее положение главного ствола Шахты Сецяо....................171

3.3.2. Моделирование процесса проходки главного ствола Шахты Сецяо............................................................................................ 171

3.4. Выводы по главе.................................................................................188

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛПО.......................................................................193

4.1. Исходные данные для проектирования ЛПО....................................193

4.2. Проектирование и расчет толщины ЛПО..........................................195

4.3. Расчет экономической эффективности от внедрения результатов исследований.......................................................................................201

4.4. Выводы по главе.................................................................................202

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................203

ПРИЛОЖЕНИЕ..............................................................................................208

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................221

ВВЕДЕНИЕ

Уголь имеет большое значение для народного хозяйства всех стран. Основные направления экономического и социального развития предусматривают дальнейшее развитие подземной добычи угля. Это связано с перспективой строительства новых глубоких шахт.

Новые месторождения полезных ископаемых характеризуются сложными геологическими и гидрогеологическими условиями. Сооружение стволов в таких условиях возможно только с применением специальных способов.

Как показывает мировой опыт подземного строительства, одним из наиболее универсальных и надежных специальных способов является способ замораживания горных пород. В горнодобывающей практике с применением способа замораживания горных пород сооружаются 70—75% всех вертикальных стволов в сложных условиях.

Практика строительства шахтных стволов способом замораживания показывает, что увеличение глубины стволов, сооружаемых с применением этого способа, ведет к значительному увеличению деформаций защитных ледопородных ограждений (ЛПО), к нарушению их сплошности и целостности замораживающих колонок.

Существуют 4 группы методов расчета ЛПО. Анализом методов расчета защитных ЛПО и практики их формирования можно установить, что принимаемые в настоящее время в аналитических расчетах схемы, в которых ЛПО рассматривается как однородное изотропное тело, правильной круговой формы, искажают фактическую картину напряженно-деформированного состояния конструкции. Поэтому аналитические расчеты, построенные на таких схемах, следует рассматривать как приближенные. Известные в настоящее время методы расчета учитывающие неоднородность ЛПО дают более точные результаты, однако нельзя считать, что они выражают сущность напряженно-деформированного состояния ЛПО, так как в этих методах не учитываются неравномерность формы ЛПО и его взаимодействие с окружающим массивом.

Обоснование и разработка методов расчета ЛПО, образуемых при проходке шахтных стволов с применением искусственного замораживания, учитывающих различные сочетания горно-геологических и горнотехнологических факторов, позволяют повысить надежность и безопасность проектных решений, что является актуальной научной задачей.

Целью работы является установление закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния ЛПО с учетом влияния неоднородного поля температуры, фактической его формы и размеров, схем нагружения для разработки методов расчета его конструктивных параметров и рекомендаций по допустимым отклонениям замораживающих

колонок, что в совокупности обеспечивает снижение затрат и сокращение сроков строительства стволов в сложных горно-геологических условиях.

Задачи работы состоят в следующем:

- обоснование возможности применения метода для исследования напряженно-деформированного состояния неоднородного защитного ЛПО произвольной формы;

- исследование влияния расчетных схем ЛПО на формирование его напряженно-деформированного состояния;

- изучение закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния ЛПО под воздействием горно-геологических и горнотехнических факторов: физико-механических свойств пород и массивов, температурного поля, начального напряженного состояния, формы внешнего контура ЛПО, влияния крепи;

- обоснование методики расчета ЛПО с учетом особенностей их взаимодействия с массивом горных пород и технологии формирования.

Идея работы заключается в использовании комбинационных закономерностей влияния горно-геологических и горнотехнологических факторов на формирование напряженно-деформированного состояния ЛПО для обоснования их параметров, обеспечивающих их прочность и устойчивость.

Методы исследований включают анализ литературы по вопросам напряженно-деформированного состояния и расчета ЛПО, математическое моделирование напряженно-деформированного состояния ЛПО и процесса проходки ствола с использованием ЭВМ, аналитические исследования взаимодействия ЛПО с массивом горных пород, и сопоставление результатов аналитических исследований с данными практики.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- для исследования напряженно-деформированного состояния ЛПО произвольной формы расчетная схема, при которой ЛПО является состав-нои частью массива пород, позволяет отказаться от заданной нагрузки на внешнем контуре ЛПО. Нагрузка и характер ее распределения формируются в результате взаимодействия ЛПО и массива, в зависимости от горногеологических факторов и физико-механических свойств и структурных особенностей массива;

- увеличение жесткости ЛПО приводит к росту радиальных и тангенциальных напряжений ЛПО, то есть чем выше жесткость ЛПО, тем выше в нем концентрация максимальных напряжений и тем меньше влияние окружающего массива на напряженно-деформированное состояние ЛПО. Установлен критерий соотношения модулей деформации ЛПО и окружающего массива, при котором влиянием этого фактора можно пренебречь и, следовательно, для проектирования ЛПО круглого сечения можно применять расчетную схему, при которой не учитывается влияние взаимодействия между ЛПО и окружающим массивом на напряженно-деформированное

состояние ЛПО;

- увеличение неравнокомпонентности нагрузок по осям и жесткости ЛПО ведет к увеличению асимметричности напряженно-деформированного состояния, причем уровень асимметричности напряженно-деформированного состояния постоянно увеличивается с ростом неравнокомпонентности нагрузок, но стабилизируется при соответствующем увеличении жесткости ЛПО. Получен критерий соотношения модулей деформации ЛПО и окружающего массива, обеспечивающий стабильность осесимметричности напряженно-деформированного состояния ЛПО;

- деформационные характеристики ЛПО влияют на напряженно-деформированное состояние как упругой, так и упругопластической модели следующим образом: тангенциальные напряжения прямо пропорциональны величинам модуля деформации, а радиальные напряжения обратно пропорциональны величинам модуля деформации;

- возможность образования пластической зоны в ЛПО, закрепленном крепью, определяется главным образом геометрическими и физическими характеристиками крепи, а не зависит от внешней нагрузки. Для определения возможности образования пластической зоны получен критерий.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: достаточной степенью (с погрешностью в среднем не более 2%) совпадения результатов с данными, полученными при решении тестовых задач аналитическими методами, удовлетворительным согласованием теоретических результатов с данными численного моделирования методом FLAC, а также качественным соответствием результатов расчета данным натурных исследований и наблюдений.

Научное значение работы и новизна заключаются в дальнейшем развитии существующих представлений о закономерностях формирования напряженно-деформированного состояния неоднородного защитного ледо-породного ограждения произвольной формы.

Практическое значение диссертации состоит в разработке методики автоматизированного проектирования ЛПО, позволяющей рассчитывать необходимую толщину стенки ледопородного ограждения по условию прочности замороженных пород и по допустимым значениям смещений внутреннего контура ЛПО (или замораживающих колонок), а также по допустимому отклонению замораживающих колонок от правильного направления.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанная методика автоматизированного проектирования ЛПО реализована при проведении научных исследований и в учебном процессе на кафедре СПСиШ МГГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликованы две работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, 5 приложений, списка литературы из 115 наименований и содержит 125

рисунков, 230 страниц.

Автор выражает глубокую благодарность, докт. техн. наук, проф. Б.А. Картозия, докт. техн. наук, проф. М.И. Шуплику за научные консультации, советы и замечания, которые способствовали написанию данной работы.

Автор также выражает свою признательность коллективу кафедры "Строительство подземных сооружений и шахт" МГГУ.

1. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ТЕОРИИ И ПРАКТИКЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕДОПОРОДНЫХ ОГРАЖДЕНИЙ

1.1. Состояние вопроса проектирования ледопородного ограждения при сооружении шахтных стволов

Дальнейшее развитие горнодобывающей промышленности Китая имеет неразрывную связь с освоением новых месторождений полезных ископаемых.

Разработка их осложняется увеличивающейся глубиной и ухудшающимися горными и гидрогеологическими условиями. Как показывает практика, увеличение глубины разработки месторождений приводит к увеличению горного и гидростатического давлений, а сложные гидрогеологические условия требуют применения специальных способов проходки горных выработок.

В настоящее время одним из наиболее универсальных и надежных специальных способов является способ искусственного замораживания горных пород. Сущность способа искусственного замораживания заключается в создании вокруг будущих горных выработок массива замороженных пород — ледопородного ограждения. Назначение ледопородного ограждения — предохранение от прорыва воды и плывунов в сооружаемых выработках вплоть до возведения постоянной крепи.

С применением этого способа в КНР с 1955 г. сооружено более 300 шахтных стволов с общей глубиной замораживания более 50 км в сложных гидрогеологических условиях (Табл. 1.1)[60]' [62]>[71]'[85]' [95]> [101]< [107]>[108]. Наибольшая глубина замораживания пород до сих пор составляла 435 м[59]. В бывшем СССР сооружено с применением способа замораживания более 50% горных выработок в сложных гидрогеологических условиях[381 Способ искусственного замораживания также находит применение в Англии, Германии, Польше, Канаде и других странах.

В настоящее время в Китае предполагается сооружение глубоких шахтных стволов в сложных гидрогеологических условиях, характеризующихся многими мощными залеганиями глины, которая неблагоприятна для напряженно-деформированного состояния защитного ледопородного ограждения. В Табл. 1.2 приведены данные гидрогеологических условий, характерных для глубоких стволов, сооруженных в Китае в последние годыС64]'[б6]; [67]'[68]: [75]> [91]> [104]. Из таблицы можно видеть, что в большинстве из них мощность залегания глины превышает 40% от общей мощности водоносных пород.

количество длина максимальная максимальная

ГОДЫ сооружении замораживания глубина мощность

х стволов (м) замораживания (м) водоносных пород (м)

1955—1959 17 1474 162 154,8

1960—1964 26 2516 260 248,3

1965—1969 19 2592 330 324,4

1970—1974 72 9517 320 292,5

1975—1979 53 12388 415 358,5

1980—1984 45 363 298,7

1985—1998 435 374,5

ИТОГО >300 >50000

С увеличением общей мощности водоносных пород повышаются их температура, количество напорных водоносных горизонтов, а в ЛПО при проходке стволов возникает повышение напряжения и развиваются пластические деформации, что приводит к деформации и разрушению замораживающих колонок, нарушению устойчивости ЛПО и прорыву воды в ствол. Вместе с тем, с ростом количества и мощности пластов глины уменьшаются толщина и прочность ЛПО, что приводит к большому смещению ЛПО и забоя.

До 1987 года в Китае построены 59 глубоких стволов, имеющих глубину замораживания более 200 м. В 20 из них случались аварии разрыва замораживающих труб при проходке. Особенно в Паньцзи-Сецяоском бассейне, из 14 пройденных глубоких стволов, в 10 стволах случалась авария разрыва замораживающих труб, где разорвались 123 замораживающие трубы, составляющие 30% от всех замораживающих труб (416 штук) этих 10 стволов (Табл. 1.3). В том числе, только в породовыдающем стволе Шахты Сецяо разорвались 34 замораживающие трубы, составляющие 91,9% от всех 37 труб данного ствола. Более серьезно то, что при проходке вспомогательного ствола Шахты Сецяо на глубине 239 м из-за разрыва 15 замораживающих труб и прорыва рассола ЛПО растаяло и разорвалось, что привело к тяжелым последствиям — затоплению ствола водой в 1984 г. Пришлось замораживать снова, отложи�