Проблемы горного дела и экологии горного производства

Подождите немного. Документ загружается.

101

Таблиця 2

Максимуми, мінімуми і амплітуди температур в Шахтінському районі

Донбассу

Рік

min

,°C T

max

,°C

,°c Рік

min

,°C T

max

,°C

,°c

1977 –28,1 +35,5 63,6 1999 –19,5 +37,0 56,5

1978 –24,4 +37,3 61,7 2000 –18,2 +35,4 53,6

1979 –27,4 +35,5 62,9 2001 –20,3 +38,4 58,7

1980 –29,2 +37,3 66,5 2002 –27,1 +37,2 64,3

1981 –25,2 +36,4 61,6 2003 –22,8 +34,0 56,8

1982 –30,4 +33,5 63,9 2004 –14,6 +32,5 47,1

1983 –18,8 +39,0 57,8 2005 –20,3 +34,7 55,0

1984 –25,1 +37,3 62,4 2006 –29,6 +40,1 69,7

1985 –27,9 +32,5 60,4

Результати досліджень теплових параметрів вентиляційного струменя по

глибині ствола, що проводилися шляхом безпосередніх вимірювань

температури у повітряподаючих і допоміжних стволах, приведені в таблиці. 3 і

показані на графіці (рис. 3).

Таблиця 3

Значення середньомісячних температур повітря в стволах Східного Донбассу

Середньомісячна температура повітря °С, на глибині

Місяць

0 м 20 м 100 м 350 м 700 м

Січень

-7,9 5,2 4,8 4,9 5,9

Лютий -5,1 4,8 5,7 5,8 8,8

Березень 1,6 5 6,5 8,5 11,3

Квітень 8,7 10,1 10,9 11,8 13,1

Травень 16,2 15,4 14,9 15,1 15,3

Липень

20,6 20,4 19,5 17,8 16,3

Червень

23,1 21,9 21 18,5 16,8

Серпень 20,8 20,3 19,6 18,1 16,5

Вересень

16,3 15,8 16,4 15,4 15,6

Жовтень 7,1 9,0 10,9 11,8 13,2

Листопад 2 5,2 6,8 8,6 11,7

Грудень

-4,2 2,5 4,3 5,8 8,8

Показники амплітуди річних коливань і відхилення температур від

середньорічної на різних глибинах представлені в таблиці. 4.

102

Таблиця 4

Характеристики теплового режиму повітряподаючих стволів

Значення показника °С, на глибині

Характеристика

0 м 20 м 100 м 350 м 700 м

Середньорічна температура 8,3 11,3 11,7 11,8 13

Річна амплітуда коливань температури 31 19,4 16,7 13,6 10,9

Максимальні відхилення

середньомісячних температур від

середньорічної

16,2 10,6 9,3 6,9 7,1

Як показують дослідження, температура повітря у повітряподаючих

стволах при дотриманні вимог ПБ до теплового режиму змінюється протягом

року в широких межах: від 2,5 до 23 °С. Найбільша різниця температур між

найжаркішим місяцем і найбільш холодним по горизонталі міняється від 19,5

до 11°С, причому із глибиною ця різниця падає. Також відмічені невеликі зміни

температури

по глибині ствола, які досягають в холодні місяці року до 2°С і

більше, а в теплі місяці – до 1°С на кожні 100 м глибини ствола, причому з

глибиною ці зміни зменшуються.

Дослідження і безпосередні виміри температури в стволах показали, що

протягом травня-вересня до глибини 250 м породи нагріваються, а нижче за цю

глибину охолоджуються під дією температури повітрям яке по ним рухається.

У останні місяці по всій глибині кріплення і породи охолоджуються повітрям

яке по ним рухається.

Рис. 3. Зміна температури повітря протягом року по глибині ствола

103

Аналогічні результати отримані при дослідженні температурного режиму

повітряподаючих стволів шахт Центрального Донбасу. Наприклад, у

повітряподаючому стволі № 1 шахти «Красноармійська-Західна» № 1 протягом

року температура повітря змінюється по гармонійному закону з амплітудою,

що зменшується по глибині, від 7 до 4 °С. Протягом теплих місяців (з травня по

серпень) відбувається нагрівання порід струменем повітря в

середньому до

глибини 250 – 270 метрів, в останніх – охолоджування до вказаної глибини. На

більшій глибині – охолоджування протягом всього року, отже, температура у

повітряподаючих стволах змінюється, як і на поверхні, по гармонійному

закону, але з меншою амплітудою, що зменшується з глибиною ствола, від 10°

С біля поверхні землі до 4 °С на глибині 700 м.

Окрім

сезонних коливань у повітряподаючих стволах відмічаються

добові коливання температури, результати вимірів якої приведені в табл. 5.

За даними таблиці. 5 побудуємо поле кореляції (рис. 4) і знайдемо

залежність добової амплітуди температур Д

тсут

від глибини ствола Н.

Для кожної серії проведених дослідів побудуємо лінії тренда (рис. 4). Всі

вони щонайкраще описуються експоненціальною залежністю з негативним

показником міри.

Побудувавши середню лінію тренда, визначимо вигляд залежності

амплітуди добових температурних коливань Д

тсут

від глибини ствола Н.

Таблиця 5

Результати виміру добових коливань температур в стволах Східного Донбасу

Мінімальна T

min

, максимальна Tmax температура повітря

і її добова амплітуда Д

°С, на глибині

0 м

(надшахтна

споруда)

20 м 100 м 350 м 700 м

№

вимі

ру

min

max

min

max

min

max

min

max

min

max

-10,

1,5 12 -1,5 4,3

5,8

1,2 4,7

3,5

4,2 4,5

0,3

5,9 6,0

0,1

2 -4,0 3,3 7,3 -0,3 5,1

4,7

1,5 5,1

3,6

5,5 5,9

0,4

8,8 9,0

0,2

3 0,5 8,6 8,1 1,8 5,7

3,9

2,4 5,0

2,6

7,3 8,0

0,7

10,8 11,2

0,4

4 4,6 8,7 4,1 5,9 9,1

3,2

8,9 10,7

1,8

11,6 11,8

0,2

13,0 13,1

0,1

5 5,5 16,2 10,7 9,8 15,4

5,6

11,1 14,9

3,8

14,3 15,1

0,8

15,0 15,3

0,3

6 13,6 20,6 7,0 15,5 20,4

4,9

17,0 19,5

2,5

17,5 17,8

0,3

16,2 16,3

0,1

7 15,5 20,8 5,3 17,1 20,3

3,2

18,1 19,6

1,5

17,9 18,1

0,2

16,4 16,5

0,1

8 2,0 9,2 7,2 5,2 9,8

4,6

6,8 10,1

3,3

10,6 11,0

0,4

11,7 11,9

0,2

Середня амплітуда

коливань Д

тср

4,5

2,8

0,4

0,2

104

y = 5,0801e

-0,0052x

= 0,9248

0 100 200 300 400 500 600 70

Глубина ствола, м

Суточные колебания температур, гра

Рис. 4. Поле кореляції і лінії тренда для кожної серії дослідів

по дослідженню залежності Дтсут = f(Н)

Для умов Російського Донбасу ця залежність має вигляд

еТ

0052,0

сут

08,5

−

=Δ .

Як видно рис. 4, коливання температури протягом доби у

повітряподаючих стволах Східного Донбасу досягають 5°С і більше. З

глибиною ці коливання зменшуються і вже на глибині 300 - 350 м майже

припиняються. Швидке вирівнювання добових параметрів повітря в стволі

може бути пояснене, в основному, теплообміном з гірськими породами, які при

добових змінах температури

інтенсивно сприймають і віддають тепло.

На підставі приведених досліджень можна зробити наступні висновки:

1. Теплові параметри вентиляційного струменя у повітряподаючих

стволах залежать, в першу чергу, від температури повітря, що в шахту, його

сезонних і добових коливань.

2. Температура повітря у повітряподаючих стволах Донбасу при

дотриманні вимог ПБ щодо теплового режиму змінюється протягом

року в

широких межах: від 2,5 до 23°С.

3. При теплових розрахунках повітряподаючих стволів необхідно

враховувати добові коливання температур, які досягають 4, – 5°С і більше, які

розповсюджуються до глибини 300 – 350 м.

4. Амплітуда добових коливань температури повітря зменшується

глибиною по експоненційному закону.

5. Калориферне господарство шахт грає важливу роль в тепловому

режимі стволів і тому

вимагає особливої уваги, оскільки інтенсивне обмерзання

стволів в зимовий період до глибини 100 – 120 м і вище не лише погіршує

температурний режим стволів і ускладнює пересування підйомних посудин по

105

стволу, але і негативно позначається на стані кріплення і армування на цих

ділянках.

Література

1. Вяльцев М.М. Прогноз і регулювання термонапряженного достатку

гірських виробок. – М.: Надра, 1988. – 200 с.

2. Дядькин ю.Д., Шувалов ю.В., Гендлер с.Г. Теплові процеси в гірничих

виробках. – Л.: Вид-во БРЕШИ, 1978. – 104 с.

3. Архів погодних умов. – http://meteo.infospace.ru

УДК. 622.25.(06)

Плешко М.С., к.н.т., доц. Плешко М.В.,

Шахтинский институт ЮРГТУ, г. Шахты, Россия

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КРЕПИ ГЛУБОКИХ

ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ

Основными вскрывающими выработками большинства

горнодобывающих предприятий являются вертикальные стволы,

связывающими подземные добычные горизонты с земной поверхностью и

считающиеся важнейшими объектами строительства и эксплуатации шахты.

Наиболее высокие показатели строительства вертикальных стволов были

достигнуты в 70 - 80-х годах прошлого века, когда ежегодно в СССР

сооружалось более 25 км стволов различного назначения, средние скорости

проходки

достигали 80 - 100 м/мес. при высоком уровне механизации работ и

производительности труда.

После распада СССР объем проходки стволов значительно сократился,

снизился общий уровень шахтопроходческих организаций, не

совершенствуется материально-техническая и проектная база. В то же время

наблюдается значительный рост глубины выработок и ухудшение горно-

геологических условий строительства.

Эти обстоятельства привели к снижению технико-экономических

показателей проходки стволов, значительному росту себестоимости

строительства, при этом отдельно следует остановиться на проблеме крепления

стволов.

Комплексный анализ опыта строительства и эксплуатации более

150 вертикальных стволов в Донбассе и других регионах страны показывает,

что в нашей стране сформировался устоявшийся подход к технологии

крепления. Более 90% стволов закреплено монолитной бетонной крепью

возведенной по совмещенной технологической схеме. На сложных участках

106

ствола осуществляется переход на железобетонные крепи и комбинированные

конструкции на основе тюбингов.

Основным способом повышения несущей способности монолитной

бетонной крепи является увеличение ее толщины, что, как правило,

производится не более чем на 3-4 участках ствола по глубине. Такие

ограничения приводят к несоответствию конструкции крепи фактическим

условиям. В силу этого, а также некачественного

ведения работ, около 53%

рассмотренных вертикальных стволов имеют те или иные нарушения крепи,

при этом процент нарушений и их тяжесть возрастает с глубиной ствола.

С увеличением глубины стволов также наблюдается значительное

отклонение фактических параметров крепи от проектных. Вследствие

вывалообразования и больших переборов породы, обусловленных

некачественным ведением буровзрывных работ, фактическая толщина крепи

на

больших глубинах превышает проектные значения в два и более раза.

Установлена корреляционная связь, имеющая гиперболический характер,

между объемом перерасхода бетона на возведение крепи и параметром

устойчивости

γH/R, где γ – объемный вес вышележащей толщи пород, H –

глубина ствола,

R – фактическая прочность пород в массиве (рис. 1).

Таким образом, существующие подходы к проектированию параметров

крепления и технологии работ в глубоких стволах не обеспечивают качество,

долговечность крепи и технико-экономическую эффективность.

Совершенствование крепления глубоких стволов должно осуществляться

на наш взгляд в рамках рассмотрения не стандартной системы «крепь –

массив», а системы «крепь – регулятивный

элемент – массив», где в качестве

регулятивного элемента может выступать, в том числе и сами крепь и массив.

Рис. 1. Зависимость перерасхода бетона при креплении стволов

от параметра

γH/R

На основе этой системы предложена новая концепция проектирования,

представленная в виде блок-схемы на рис. 2.

107

Рис. 2. Блок-схема проектирования строительства вертикального ствола

Она предусматривает возможность оперативной корректировки рабочего

проекта по данным постоянного мониторинга и более широкое варьирование

параметров крепления за счет использования регулятивных элементов.

Реализация основных технических решений проекта осуществляется

через технологическую схему строительства, определяющую средства, методы

и последовательность ведения работ. При этом в процессе

разработки проекта

крепления необходим более полный учет технологических факторов. В

настоящее время в основном рассматриваются только горно-геологические

данные, полученные по результатам бурения осевой скважины и имеющие

неполный характер.

В связи с этим выполнен комплекс исследований по влиянию

технологических факторов на работоспособность крепи и обоснованию

оптимальных управляющих воздействий по повышению ее

несущей

способности.Рассматривалась объемная математическая модель геотехнической

системы «призабойное пространство ствола», в которой наиболее полно

проявляются технологические отличия схем проходки.

На первом этапе исследована стандартная совмещенная схема проходки с

монолитной бетонной крепью.

Расчетная модель позволяет учесть стадию твердения бетона в

призабойной зоне, в которой прочность и модуль деформации колец крепи

различна и соответствует фактическому возрасту бетона.

Полученные результаты показывают, что при увеличении жесткости

бетона призабойной зоны в возрасте 1 - 7 сут., характеризуемой средним

108

модулем деформации, E

ср (1-7)

, интенсивность напряжений в крепи на момент

наступления статического равновесия в системе увеличивается.

Обобщенная зависимость запаса несущей способности крепи от

отношения

ср (1-7)

, где Е

– модуль деформации бетона в проектном

возрасте, приведена на рис. 3. Из рис. видно, что при увеличении начальной

жесткости крепи запас несущей способности уменьшается по слабо

выраженной параболической зависимости, близкой к обратно

пропорциональной.

Этот фактор следует учитывать при проектировании параметров крепи,

возводимой по совмещенной схеме, при этом особенно тщательное

геотехнологическое обоснование должна

иметь организация скоростной

проходки, так как ее реализация вызывает необходимость применения

быстротвердеющих бетонов, имеющих высокую начальную жесткость.

Необходимо также подчеркнуть, что на основании рис. 3 не следует

делать вывод о целесообразности увеличения величины

, так как в этом

случае происходит и пропорциональное увеличение ранней жесткости бетона.

Рис. 3. График зависимости несущей способности крепи от параметра E

ср (1-7)

Необоснованное снижение величины

ср (1-7)

также неэффективно, потому

что в этом случае уменьшается запас прочности крепи в призабойной зоне.

Механизм управляющих воздействий должен быть направлен на оптимизацию

отношения:

→

max, где R

– прочность бетона при сжатии, что позволит

обеспечить податливость крепи при необходимом запасе прочности. Более

широкие возможности по регулированию параметров крепи возникают при

переходе на комбинированные анкерно-бетонные системы, которые могут

возводиться по совмещенной или параллельной технологической схеме.

Существенное значение имеет прогноз величины натяжения анкеров,

которое изменяется от момента установки анкера

в забое до наступления

статического равновесия в системе в процессе проходки.

109

Основными факторами, влияющими на величину приобретаемого

анкерами натяжения, являются: глубина ствола, модуль сдвига пород, диаметр

ствола вчерне.

При совмещенной технологии после анкерного упрочнения массива

выполняется возведение монолитной бетонной крепи и далее происходит их

совместное деформирование. При этом увеличение жесткости бетонной крепи в

призабойной зоне снижают величину приобретаемого анкерами натяжения, а

соответственно

и эффективность их установки. С учетом сказанного,

проектирование анкерно-бетонной крепи должно быть направлено на

оптимизацию основных параметров, предусматривающую достижение

максимального запаса несущей способности крепи при минимальных затратах.

При параллельной схеме монолитная бетонная крепь возводится с

отставанием от анкерной по высоте до 20 - 25 м и более. В этом случае на

величину

натяжения анкеров значительное влияние оказывает интенсивность

процессов ползучести в окружающем массиве. Для повышения области

применения анкерной крепи в этих условиях целесообразно применение

конструкций с ограниченной податливостью.

Снижение величины натяжения при применении податливых анкеров

составит

отн

a.р

, где F

a.р

– величина натяжения податливого анкера, F

–

величина натяжения жесткого анкера в аналогичных условиях.

На рис. 4 представлена зависимость параметра

отн

от величины

податливости анкера.

Рис. 4. Зависимость параметра F

отн

от величины податливости анкера

В целом область применения параллельной схемы проходки определяется

возможностью обеспечения устойчивости участка ствола высотой 20 - 25 м без

постоянной крепи.

Если это возможно, то в качестве постоянной крепи возможно

использование бетонной оболочки минимальной толщины – 250 - 300 мм, а ее

несущая способность при необходимости повышается путем увеличения класса

бетона.

Как показывают исследования, задача по обеспечению устойчивости

пород призабойной зоны в широком диапазоне условий может быть решена с

помощью анкерного упрочнения массива с научно-обоснованными

параметрами.

110

Таким образом, практическая реализация рассмотренных управляющих

воздействий предусматривает, прежде всего, оптимизацию параметров

монолитной бетонной крепи, а также переход на комбинированное анкерно-

бетонное крепление.

При этом состав бетона крепи должен подбираться не только по

требуемой прочности, но и с учетом технологических факторов.

При совмещенной схеме проходке на первый план выходят свойства

бетона

в раннем возрасте (1 - 7 сут.), так как именно в этот период возведенная

в забое бетонная крепь взаимодействует с интенсивно деформирующимся

массивом.

На основании комплекса лабораторных испытаний разработаны

эффективные составы бетона, опадающие оптимальными деформативными

свойствами в раннем возрасте, благодаря применению современных

комплексных добавок на основе суперпластификаторов, а также

полипропиленовой фибры.

Бетон крепи,

возводимой по параллельной схеме проходки, должен иметь

большую проектную прочность и высокую скорость твердения для

возможности выполнения быстрой распалубки и вступления бетона в работу в

короткие сроки. С учетом этих требований разработаны составы

высокопрочных бетонов с использованием комплексных органоминеральных

модификаторов серии «МБ» и ЭМБЭЛИТ.

Примеры ориентировочных составов бетонов для совмещенной и

параллельной технологической схемы представлены в табл. 1.

Таблица 1

Оптимальные составы бетона для различных схем проходки стволов

Совмещенная

схема

Параллельная

схема

Класс бетона по прочности

№ Параметры

В25 В40

1 Марка цемента М500 Д0

2 Расход цемента, кг/м

330 - 350 380 - 400

3 Вид и марка добавки

Реламикс -2,

Biseal SCC,

SikaViscoCrete

МБ6-50С, МБ 10-

01, ЭМБЭЛИТ 6-

50, ЭМБЭЛИТ 6-

100

Дозировка модификатора, % от

цемента

0,8 - 1,0 10 - 12

5 Водоцементное отношение (B/Ц) 0,48 - 0,5 0,43 - 0,45

Доля песка в смеси заполнителей

(П/Щ)

0,65 - 0,73

7 Модуль крупности песка, (М

кр

) 2,2 - 2,5

8 Вид крупного заполнителя

щебень из гравия фракций 5 - 20

мм.