автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Разработка метода расчета монолитной бетонной крепи ствола, возводимой в два слоя

На правах рукописи

ДОНЕЦ Майя Николаевна

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА МОНОЛИТНОЙ БЕТОННОЙ КРЕПИ СТВОЛА, возводишЯ В ЛБА слоя

Специальность 06.16.04 - Строительство шахт и подземных сооружений ..

Автореферат диссертации на соискание ученой степени . кандидата технических наук .

Тула - 1995

Работа Бьт^ляена в Тульском государственном техническом университете.

■ Научный руководитель

заалуаешшй деятель науки и техники Р.Ф. докт. теки, наук, проф. БУЛЫЧЕВ Н.С.

Официальные оппоненты; •

докт. техн. наук, проф. КЛЕЙМЕНОВ В.Б.

•канд. техн. ^аук, ЧЕНДЕВ С.Ф.

Ведущее предприятие - АО "Мосбассщахтострой".

Защита диссертации состоится " /7^" 'ОКЮЛЬрЗ^ 1995 г. в /4 часов на васедании диссертЩШнбго" совета Д 063.47.01 Тульского государственного технического университета по адресуг 300600, г.Тула, пр.Ленина, 92.

С диссертацией модно ознакомиться в Библиотеке Тульского государственного технического университета.

Автореферат разослан " /3 " О&НГПЛДр^С1995 г. '

Ученый секретарь диссертационного согета, канд.техн. наук

СВРДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Лкпуадмюсрь рявст. Одной из характерных особенностей сов-юмеиного шахтного строительства является значительное усложнена горно-геологцческих условий. Кроме того, в последние годы на ?оне глубокого экономического Кризиса, характеризующегося общим :падом производства в промышленности, строительство подземных юоружений, а такЖа средства, выделяемые на него, резко сократись. В свяви с атим, при сооружении Еертиклльных стволов на 1ервый план, наряду о жесткими требованиями к надежности и долговечности конструкции, выходит проблема экономии и рентабель-«хзти строительного производства.

Поскольку стоимость. крепления составляет около 'С% затрат на сооружение всего ствола, успешное решение актуальных задач, связанных о обеспечением эксплуатационной надежности шахт.шх 2%волов во многом зависит от экономичности и надежности выбранного типа крепи,

В настоящее время при проходке стволов в обычных условиях в отечественной и зарубежной практике получила распространение монолитная • бетонная . крепь из быстротвердеющего Сетона при совмещенном способе проходки.

Однако, при сооружении глубоких стволов в сложных горно-геологических условиях несущей способности обычной однослойной бетонной крепп, как правило, оказывается недостаточно. Обычно о этих условиях шахтостроители переходят на более дорогостоящие види крепи, например чугунные тюбинги.или делезобетонше блоки, что приводит к ревкому удорожания строительства. Поэтому решение Проблемы увеличения несущей способности, монолитной бетонной крепи с учетом всех ее неоспоримых достоинств представляется в настоящее время актуальным, и позволит существенно расширить область ее применения.

Успешное решение проблем надежности конструкции и экономит-вости ее. сооружения тесно связаны с задачей совершенствования используемых методов прогнозирования механических процессов в окружающих породных массивах, а также методов расчета крепи.

Исследования выполнены в рамках НИР "Разработать конструкции, технологические, схемы, методы и компьютерные программы расчета крепи вертикальных шахтных стволов из монолитного и сборного бетона и железобетона, обеспечивающие суше-отгонное повчшеии?

нес.ушей способности крепи", N госрегистрации 01.9.'50 000474.

Цель рай¡омы заключается б раеработке метода расчета монолитной двухслойной Бетонной Крепи с разновременным возведением и сводом в работу слоев, что обеспечивает поЕьйение несущей способности крепи в целом.

Идея районы заключается в том, что наружный слой крепи, контактирующий с породами, возводится непосредственно у. забоя ствола и служит ' временной крепью, обеспечивающей безопасность работ; Енутренний слой возводится с некоторым отставанием от забоя, б результате чего вн&^ний бетонный слой, возводимый на первой стадии, воспринимает на себя часть нагрузки, что обеспечивает перераспределение напряжений на двухслойном участке крепи и облегчает условия работы внутреннего слоя, что в свою очередь способствует повышению несущей способности двухслойной конструкции в целом. •

Мемоди исследований Екпючаот математическое и компьютерное моделирование напряженного состояния крепи, ' метода расчетов на основе теории упругости, корреляционный анализ. ■

Научные поло&вшя, равраСошишв яи*ш!> сои&шсявлт, о ил ШПЯШЯа.

1. Разработана математическая модель' напряженно- декретированного состояния и метод расчета двухслойной монолитной Сетон: ной крепи ствола с разновременным возведением олоев на конечной сталии ее работы, характеризуемой стабилизацией процессов взаимодействия крепи с массивом пород пр» значительном удалении, рассматриваемого участка крепи ог забоя.

2. Разработана математическая модель напряженно-деформированного состояния и метод расчета двухслойной монолитной крепи ствола на начальной стадии ее работы,.учитывающих влияние поджигания забоя, ползучесть пород и процесс наОора прочности бетона-разновременно возводимых слоев крепи на ранней стадии твердения.

3.. Установлены зависимости максимальной несущей способности и коэффициента повышения несущей способности.двухслойной крепи но сравнению с ее однослойным прототипом от отношения, длительная модулей деформации бетона внешнего слоя .и пород для ва~

щитов, когда оба слоя крепи выполнены из бетона одного класса кргда слои представлены бетонами различных классов при анализе шряженно-деформированного состояния крепи на конечной стадии » работы.

Доатпериоаял научная пожохзтй, выводов ц рекомендаций ¡основана применением апробированной математической модели мно-юлойной крепи выработок круглого сечения, достоверность кото-1Й доказана, и значением коэффициента корреляции 0.9900 для >рреляционной формулы.

Научное ейачекив работы заключается в разработке математи-ских моделей взаимодействия двухслойной монолитной бетонной епи с массивом пород и методов расчета крепи.

Практическое значяение работы заключается в разработке алго-тмов и пакета компьютерных программ для IBM совместимых компь-еров, реализующих расчет двухслойной монолитной бетонной крени вола на конечной и начальной стадии ее работы для вертикальних работок круглого сечения при гравитационном поле начальных пряжений в массиве пород.

Результаты диссертационных исследований приняты к внедрению "Мосбассшахтосгрой".

Апробация работы. Основные положения и результаты работы здадывались и обсуждались на конференциях профессорски-препо-зательского состава Тульского государственного технического дверситета (г. Тула, 1993 г..1994 г., 1995 г.), на заседании един расчета и проектирования конструкций подземных сооружений шельной Ассоциации (г. Тула, 1994 г.), а также на Меедународ-i конференции (Зимняя школа механики горных пород, Вроцлап, 1ьша, март 1995 г.)

Публикации. По теме диссертационной работы- спублик^глиа 1тья и .тезисы доклада автора на Международном симпозиуме по )блемам. прикладной геологии, горной науки и производит г-а Санкт-Петербург, 1993 г.).

- б -

08ъеи рабжш. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, включения, списка литературы и приложения.

Работа изложена на ЦБ стр. машинописного текста, включая рис. , список литературы из 9~? наименований и приложение..

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

• Вертикальный шахтный ствол относится к наиболее ответственным объекта« подземного строительства, сооружение которого ха- -рзктериауется большой сложностью, трудоемкостью производства работ, а также большим объемом капитальных вложений.

Поэтому правильный выбор типа крепи ствола, а также метода ■ ее расчета имеет ванное значение не только с точки .зрения обеспечения надежности и долговечности конструкции, но и о точки еренил экономичности и рентабельности строительства, что особенно ваашо ь современный переходный период.

Вопросам расчета крепи вертикальных стволов посвг""?:га об- ' ширная литература. Методы расчета крепи отводов прошли три основных этапа своего развития.

На первом этапе крепь рассматривалась как конструкция, заг- . руяенная заданной нагрузкой.(работы В.И.Белова, М.П.Бродского, ■ А.П.Максимова, Ю.А.Онищенко, Н.М.Покровского, М.М.'Протодьяконо-ва, К.Терцаги, П.М.Димбаревича и др.). Предполагалось, что сама-крепь не оказывает влияния на величину и распределение действую-. щих на нее нагрузок. Деформации крепи не анализировались.

Второй этап в развитии теории расчета крепи стволов характеризуется разделением действующ« нагрузок на активные и пассивные (работы Л.Б.Канлан, Г.М.Крытова, Ф.Ванслебен, Д.Даниеля, О.Домке, Г.Линка, Ф.Мора, Р.Фербера, М.Худека, Хьштаидр.).

Третий этап развития теории расчета.крепи стволов характеризуется учетом взаимодействия крепи и пород. Большую роль в формировании представлений о взаимодействии крепи с массивом пород сыграли труды Ф.А.Белаенко, Н.С.Булычева* Ж.С.Ержанова, . А.М.Козела, • Г. А. Крупе нникова, Ю. М. Либермана', К.Б. Руппенёйта, А.С.Строганова, 'П.Спица и др.

В настоящее время в практике проектирования подземных соо-

ружений большое распространение получили методы расчета крепи на оснопе принципа контактного взаимодействия крепи с массивом пород, основанные на аналитических решениях соответствующих контактных задач теории упругости.

Общий метод расчета многослойной крепи стволов - метод коэффициентов передачи нагрузок (метод Н.С.Булычева) - положен в основу метода расчета двухслойной крепи в данной диссертационной работе.

Целью диссертационной работы является разработка метода расчета монолитной бетонной крепи вертикального ствола, возводимой в два слоя, и характеризующейся повышенной несущей способностью по сравнению с аналогичной однослойной крепью.

Схема возведения двухслойной бетонной крепи ствола с разновременным вводом в работу слоев, показана, на рис. 1.

Первому этапу (I) (рис.1) соответствует возве ;ечие внешнего бетонного слоя, которое осуществляется путем установки опалубки на разровненную поверхность породы на забое и производством бетонирования .

■ На втором этапе (II) осуществляется возведение внутреннего слоя на рассматриваемом участке с отставанием от внешнего на Бе-личину заходки.

Третий этап (III) характеризуется повторением цикла работ, в результате которого забой ствола подвигается на одну ааходку от рассматриваемого участка крепи.

При последовательном рассмотрении этапов возведения двухслойной крепи необходимо отметить, что при каждом отходе забоя ствола от рассматриваемого участка происходит изменение деформационных характеристик крепи, вследствие¡твердения, и массива, в случае ползучести пород, соответствующее определенным моментам времени.

В работе двухслойной бетонной крепи можно выделить начальную стадию, характеризующуюся подвигалием забоя, ползучестью пород,' твердением бетона, и конечную стадию, характеризующуюся стабилизацией всех .процессов формирования напряженно-деформированного состояния на значительном удалении рассматриваемого участка от забоя ствола.

Прй разработке метода расчета монолитной двухслойной крепи ствола на конечной стадии необходимо учесть разновременность

Рис. 1-. Схема возведения двухслойной крепи ствола: ЫП - этапы возведения крепи.

1,2 - внутренний и внешний слои крепи соответственно, 3 - опалубка

возведения слоев крепи, а .именно -.напряжения, возникающие во внешнем бетонном слое на первом этапе работы двухслойной крепи, а также напряжения в обоих слоях крепи на втором этапе работ, на основании которых производится оценка прочности двухслойной крепи в целом.

.. Максимальная несущая способность двухслойной крепи достигается при условии •

N3(1, = N3(2) , (1)

где N3(d, MS(2) - несущая способность крепи по прочности внутреннего и внешнего слоя двухслойной крепи соответственно.

Расчетная зависимость для определения максимальной несущей-способности двухслойной крепи имеет вид:

Кьп&в-(1)+Рь(6в(2)1 - бв(2)П + ePoCl))

NS = —-:-X-----:- , (2)

СЛ(1 |бп(?)

где бе-(2)', &е-(2)" " приведенные величины нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре сечения внешнего слоя от единичных начальных напряжений в массиве, соответственно на первом и на втором этапах возведения крепи;

&e-(i) - приведенная величина нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре сечения внутреннего слоя от единичных на-• . чальиых напряжений в < массиве^

рГэ (1) - приведенная величина нормальных напряжений на контакте слоев крепи от единичных нал-• ряжений"в массиве; Rb - расчетное сопротивлений бетона внутреннего • ■ слоя;' ,■'■■.'.

■ ' Rbn - нормативное сопротивления бетона внесшего слоя крепи;;

. . ■ ' l+SiTHP(2) • •

.0 -----— , ■

1-Sinipr2j ■ •

- угол внутреннего трения бетона внешнего слоя На рис.2,а показаны зависимости максимальной несущей спо собности крепи вертикального ствола, возводимой в два слоя (радиус ствола в свету 4 м, толщина каждого слоя 0.2 м)- из одинакового класса бетона, и несущей способности крени, возводимой в один слой, толщиной 0.4 м, от отношения длительных модулей деформации материала крепи и массива пород. Зависимости коэффициента повышения несущей способности двухслойной крепи по сравнению с однослойной крепью такой же толщины от отношения длительных модулей деформации крепи и массива пород представлены на рис. 2,6.

При разработке метода расчета двухслойной монолитной бетонной крепи на начальной стадии ее работы были учтены три фактора, оказывающих основное 'влияние на напряженно-деформированное состояние конструкции в этих условиях: влияние нодвигания забоя, ползучесть пород, а также изменение во времени деформационных характеристик бетона на ранней стадии его твердения.

Начальный модуль деформации бетона в процессе твердения определяется из соотношения, полученного лабораторией лелес-сбетон-ных конструкций ЦЩШПС.

Набор прочности бетона на ранней стадии его твердения определяется по корреляционной зависимости (коэффициент корреляции 0.9900), полученной автором по результатам испытаний контрольных образцов бетона,при проходке стволов в Донбассе' (данные д.т.н. Р. А.Тюркяна):

бс(Т) = бс(То)С0,92 + О,2341п(Т/То)1> (3)

где Т0 - вррмя набора нормативной прочности. .. .

Нормальные тангенциальные напряжения на внутреннем контуре сечения каждого слоя крепи определяются по формулам:

2

<ЧН2>*Ш = ПН —ттт— Ко(3>М1),тн2) а*>

»о +1

2 М

б»,2) П,=Х1Н—т^Ко',3)1 п (щ,г)-Ко(2) шт2(2>) , ,

а.

6-

'л не

Ш т

1,36

■ш т

1

(]р и им ссв 5 ?тон а

V

830

...... 820

Рис.- 2. Зависимость максимальной нусушой опасности (а» и коэффициента пошиеийл несущей епосиСпсстп (п) от соотношения длительных модулей крспп и поглд:

—- - двухслойная кр^иь;

■— ;--- обычная крепь ■

- 1й -

N *

= АгН — Ко(2)(Л тИ1>(«*+тх*ш], (4)

- нормальные тангенциальные напряжения на вну- ■ трен кем контуре сечения внешнего -слоя на нервом этапе (I, рис.1);

- нормальные тангенциальные напряжения на внутреннем контуре внутреннего и внешнего слоя двухслойного участка крепи соответственно;

- коэффициент вида напряженного состояния;

- коэффициент передачи напряжений черев бесконечный слой, моделирующий массив пород, на I этапе;

- коэффициенты передачи напряжений черев внеи-• ний бетонный слой и бесконечный слой, мо-

делтрующий массив пород, на II этапе;

- коэффициент, учитывающий отставание возведения крепи от забоя; ,

- приращение коэффициента а*, возникающее в . результате продвижения забоя от рассматрива- ' емого участка.

На основе разработанных математических моделей составлен' алгоритм и программы расчета двухслойной монолитной бетонной крепи ствола на конечной и начальной стадиях ее работы.

Анализ зависимостей, полученных в результате расчетов, позволил сделать следующее выводы:

- максимальная несущая способность двухслойной монолитной бетонной крепи достигается при отставании возведения внутреннего слоя крепи от внешнего в пределах одной заходки;

- максимальная несущая способность монолитной бетонной крепи, возводимой послойно, превышает несущую способность однослойной крепи такой же толщины на 30-50 %,•, '.

- наибольший эффект повышения несущей способности двухслойной крепи достигается путем применения более прочного бетона внешнего слоя; '

'- величина напряжений в сечениях'двухслойной крепи не пре-

где бв-(2)".а)

6<М1) Ш,бв(2)и)

Ко(3>*т

'ю(й) (Л .Ко(3) и)

Д«

а

«ш

вытает значений прочностных, характеристик бетона слоев на ранней стадии его твердения.

Общий анализ работы . двухслойной конструкции на конечной и начальной стадиях позволил установить, что при возведении бетонной крепи в два слоя ее расчетная несущая способность увеличивается по сравнению с крепью, возводимой в один слой, что позволяет более рационально использовать материал крепи и существенно расширить область ее применения в сложных горно-геологических

УСЛОЕИЯХ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• Представленная диссертационная работа является научной квалификационной работой, в которой содержится новое решение задачи разработки математической модели и метода расчета монолитной бетонной крепи ствола, возводимой в два слоя, с учетом влияния надвигания забоя ствола, ползучести пород и твердения бетона на ранней стадии, : что имеет существенное значение для шахтного строительства. . •

.• Основные результаты работы и выводы заключаются в следующем:

1. Разработана математическая модель • напряженно-деформированного состояния И метод расчета'двухслойной монолитной бетонной Крепи ствола с разновременным возведением слоев на конечной стадии ее работы, характеризуемой стабилизацией процессов взаимодействия крепи с массивом пород при значительном удалении рассматриваемого участка крепи от забоя.

Е. Разработана математическая модель.напряженно-деформированного состояния и метод, расчета двухслойной монолиткой крепи ствола на начальной стадии ее работы, учитывающих влияние под-вигания забоя,. ползучесть пород и процесс набора прочности бетона разновременно возводимых слоев крепи на ранней стадии твердения .

3. Установ.лены зависимости максимальной несущей способнос-Т11, отставания возведения внутреннего слоя от внешнего, п также коэффициента повышения несущей способности двухслойной крепи по •сравнению С. • ее однослойным прототипом от .отношения длительных . модулей деформации бетона внешнего слоя и пород длг. вариантов,

когда оба слоя крепи выполнены из бетона одного класса и когда слои представле ы бетонами различных классов при анализе напряженно-деформированного состояния крепи на конечной стадии ее работы. • .

4. Установлены 'закономерности взаимодействия двухслойной крепи ствола с массивом пород в процессе возведения крепи в при-забойной области на ранней стадии твердения бетона.

6. Предложена эмпирическая формула набора прочности бетона :1а ранней стадии твердения по результатам испытаний контрольных образцов (данные д.т.н. Р.А.Тюркяна). Коэффициент корреляции 0.9900. '

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

Результаты диссертационных исследований приняты к внедрению АО "Мосбаосшахтострой".

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Донец М.Н. Расчет двухслойной бетонной крепи стврла/Ме-• ханика подземных сооружений. - Тула, 1994. - С. 118-127. '

2. Донец М.Н. Обоснование технологии • проходки стволов с двухслойной бетонной крепыш/Международный симпозиум п<Э проблема» прикладной гео.яогии, горной науки и Производства; Те?, докл. - Санкт-Петербург, 1993. - 0. 73.

Подписано к печати 04.0b.95. Формат булаги £0x84 1/16, Бумага тиногр. 6 2.0фает,печ. Уол.печ.л.0»В.Уч.-изд.л.0,7, Тира* 100 экз. Заказ Ш 5Ь7.

Издано в Тульском государственной универдвтв.

Тула,ул.Боддина,151.'

Отпечатано на ротапринте в ТулГУ.