Формирование напряженного состояния бетонной крепи в процессе проходки шахтного ствола
Автор: Шардаков Игорь Николаевич, Шестаков Алексей Петрович, Глот Ирина Олеговна, Епин Валерий Валерьевич, Гусев Георгий Николаевич, Цветков Роман Валерьевич
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 4 т.15, 2022 года.
Бесплатный доступ
Проходка шахтного ствола является ответственной и дорогостоящей процедурой. В процессе ее выполнения могут возникать аварийные ситуации. Для их предотвращения необходимо достоверно оценивать напряженное состояние крепи ствола на этапе проектирования. Решение этой задачи возможно с помощью методов математического моделирования. Уровень их достоверности зависит от точности описания как технологического процесса проходки, так и механического поведения грунта. Рассмотрены две технологических схемы проходки, в рамках которых формирование крепи ствола осуществляется методом бетонирования. Согласно первой из них бетонирование выполняется до текущего положения дна выработки. Согласно второй бетонирование отстает от выемки грунта на один шаг. Диаметр ствола составляет 10 м, шаг и глубина проходки имеют значения 5 и 1000 м соответственно. Проходка производится в каменной соли. Ее деформирование описывается тремя вариантами физических соотношений, которые позволяют оценить роль деформирования грунта на стадии разгрузки. В работе сделан акцент на значениях нормальных напряжений, возникающих в крепи при проходке. Из полученных результатов сделаны следующие выводы: максимальное растягивающее напряжение крепи, вычисленное для первой схемы проходки, приблизительно в 13 раз превышает аналогичное значение, соответствующее второй схеме; учет упругих характеристик грунта, характерных для стадии разгрузки, изменяет значение максимальных растягивающих напряжений крепи более чем в 2 раза. Проведен анализ возможности образования горизонтальных трещин в крепи в зависимости от схемы проходки и модели деформирования грунта. Из анализа следует, что первое появление трещин в бетоне возможно на глубинах около 40 м при первой схеме и около 450 м при второй.
Шахтный ствол, моделирование проходки, этапность проходки, разгрузка грунта
Короткий адрес: https://sciup.org/143179348
IDR: 143179348 | УДК: 622.016 | DOI: 10.7242/1999-6691/2022.15.4.30
Formation of the stress state of the concrete support during shaft sinking
Shaft sinking is a safety-related and high-priced procedure. In the process of sinking, emergencies may occur. To prevent their occurrence, it is necessary to reliably assess the stress state of the mine shaft support at the design stage. This problem can be solved using mathematical modeling methods. The level of their reliability depends on the accuracy of the description of the technological process and the mechanical behavior of the soil. The paper presents the result of numerical simulation of a step-by-step process of vertical shaft sinking using two technological schemes. According to the first scheme, concreting is performed up to the current position of the shaft bottom. According to the second scheme, concreting lags behind excavation by one sinking step. Modeling of the sinking process is carried out in the case of rock salt mining. The shaft diameter is 10 meters, the step and depth of sinking are 5 and 1000 meters, respectively. Soil modeling is performed using three variants of physical relations, which makes it possible to estimate the role of soil deformation at the unloading stage. The paper analyzes the stress-strain state of the mine shaft in the process of its reinforcement by concrete lining with an emphasis on the assessment of normal stresses in the direction of the vertical axis that occur in the support during sinking. The following conclusions are drawn from the obtained results: the value of maximum tensile stress of the support calculated for the first sinking scheme is about 13 times higher than the similar value obtained for the second scheme; taking into account the elastic characteristics of the soil, typical for the unloading stage, changes the value of the maximum tensile stresses of the support by more than two times. The possibility of the formation of horizontal cracks in the support is investigated depending on the method of shaft sinking and soil deformation model. It follows from the analysis that the appearance of the first cracks in the concrete support can be detected at the depth of ≈ 40 meters for the first scheme of sinking and at the depth of ≈ 450 meters for the second scheme.
Список литературы Формирование напряженного состояния бетонной крепи в процессе проходки шахтного ствола
- Ольховиков Ю.П. Крепь капитальных выработок калийных и соляных рудников. М.: Недра, 1984. 238 с.
- Казикаев Д.М., Сергеев С.В. Диагностика и мониторинг напряженного состояния крепи вертикальных стволов. М.: Горная книга, 2011. 244 с.
- Сильченко Ю.А., Плешко М.С. О проблеме учета технологии работ при определении параметров крепи вертикальных стволов // ГИАБ. 2020. № 11. С. 96-107. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2020-11-0-96-107
- Харисов Т.Ф., Харисова О.Д., Князев Д.Ю. Предотвращение нарушений крепи стволов при строительстве по совмещенной технологической схеме // Известия ТулГУ. Науки о земле. 2018. № 4. С. 264-274.
- Zhao X., Deng L., Zhou X., Zhao Y., Guo Z. A primary support design for deep shaft construction based on the mechanism of advanced sequential geopressure release // Processes. 2022. Vol. 10. 1376. https://doi.org/10.3390/pr10071376
- Цытович Н.А. Механика грунтов (краткий курс). М.: Высшая школа, 1983. 288 с.
- Асанов В.А., Жигалкин В.М., Панъков И.Л., Усольцева О.М., Цой П.А., Евсеев А.В. Определение параметров деформирования соляных пород при объемном нагружении // ГИАБ. 2009. № 4. С. 334-342.
- Тавостин М.Н., Кошелев А.Е., Осипов Ю.В. Исследование физико-механических свойств каменной соли с учетом предварительного всестороннего нагружения // ГИАБ. 2015. № 2. С. 89-96.
- Бельтюков Н.Л., Евсеев А.В. Сопоставление упругих свойств горных пород // Вестник ПГТУ. Геология, нефтегазовое и горное дело. 2010. Т. 9, № 5. С. 82-85.
- Teo P.L., Wong K.S. Application of the Hardening Soil model in deep excavation analysis // The IES Journal Part A: Civil & Structural Engineering. 2012. Vol. 5. P. 152-165. https://doi.org/10.1080/19373260.2012.696445
- Новацкий В. Теория упругости. М.: Мир, 1975. 872 с.
- Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра, 1987. 221 с.
- Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1975. 400 с.
