Моделирование потери устойчивости и разрушения тюбинговой крепи шахтного ствола

Целостность и деформационная надежность элементов шахтного ствола играют значительную роль в процессе добычи полезных ископаемых. Нарушение целостности может привести к поступлению воды в шахту и, в конечном итоге, к затоплению рудника. Деформационная прочность и надежность шахтного ствола в значительной степени обуславливаются эффективностью и корректностью всех этапов изготовления тюбинговой крепи. В данной работе представлены результаты численного моделирования процесса деформирования тюбингового кольца под действием неравномерного давления, которое может возникнуть при тампонаже (накачивании цементного раствора в затюбинговое пространство под высоким давлением). В рамках математической постановки обсуждаемой задачи и ее численной реализации учтены следующие факторы: контактное взаимодействие между секциями тюбинга, контакт между тюбингом и бетоном, влияние начального напряженно-деформированного состояния тюбинга, сформированного при затяжке болтов, соединяющих секции друг с другом. Постановка задачи осуществлена в рамках упругопластического деформирования с учетом конечных деформаций. По результатам численного решения определены условия, при которых возможна потеря устойчивости и разрушение тюбингового кольца. Установлена существенная зависимость давления, приводящего к разрушению тюбинга, от площади, к которой оно приложено. Выявлено, что эта зависимость не монотонна и имеет минимум при давлении, распределенном по площади двух секций тюбингового кольца. Давление в этом случае составляет ≈1.4 МПа, то есть находится в диапазоне реальных величин, характерных для тампонирования (до 3 МПа). Полученные графические зависимости дают возможность оценить формирование критических деформационных состояний тюбинговой крепи и могут быть использованы для выбора рациональных режимов создания крепей шахтных стволов.