Совершенствование метода расчета напряженного состояния монолитной бетонной крепи шахтных стволов

Одной из важнейших задач экономики России в XXI веке является эффективное развитие горнодобывающей промышленности, направленное на сохранение и увеличение объемов добычи рудных и минеральных полезных ископаемых, что связано, в частности при подземной разработке со вскрытием месторождения через вертикальные стволы.

Введение в эксплуатацию новых производственных мощностей характеризуется постоянным увеличением глубины разработки и протяженности вертикальных стволов, являющихся основными вскрывающими выработками подземных горнодобывающих предприятий

Глубина строящихся вертикальных стволов в нашей стране перешагнула двухкилометровую отметку при средних значениях 900–1200 м. На их долю приходится до 30% стоимости и до 50% общей продолжительности строительства шахты или рудника. Значительная часть этих затрат связана с креплением выработок.

В настоящее время в России и странах СНГ при проходке вертикальных стволов практически не имеет конкурентов совмещенная технологическая схема проходки, характеризующаяся возведением монолитной бетонной крепи вслед за продвижением забоя ствола.

Устойчивость крепи стволов зависит от напряжений, сформировавшихся в крепи, и прочности крепи.

Напряжения в бетонной крепи вертикальных стволов, по данным Н.С.Булычева, И.В.Баклашова, Б.А.Картозии, Г.А.Крупенникова, А.Г.Протосени, A.M.Козела, В.Е.Боликова, формируются при действии постоянных во времени природных напряжений, являющихся суммой гравитационных и тектонических напряжений. Выполненные этими учеными исследования легли в основу метода расчета крепи по схеме контактного взаимодействия с массивом. Достоинством этих методов является то, что влияние технологической схемы проходки учитывается путем введения в формулы по определению расчетных напряжений вокруг выработки корректирующего множителя α*. Это позволяет свести расчет шахтных крепей к известным аналитическим и численным решениям плоской контактной задачи двух упругих тел (т.е. крепи и окружающего массива, контактирующих друг с другом и линейно деформирующихся).

Основным недостатком вышеуказанного метода является то, что при определении корректирующего множителя α* не учитывается действие вертикальных напряжений σz, а также модуль упругости бетона Еб, который изменяется от нуля при скоростной проходке до максимальных значений Еб при длительных остановках крепления. Следует, однако, отметить, что действующие методы оценки влияния схем проходки на нагруженность крепи стволов являются приближенными и нуждаются в дальнейшем совершенствовании, так как при проектировании не учитываются вновь выявленные закономерности формирования напряженногосостояния в массиве горных пород с учетом изменения его во времени.

В последние годы установлено, что природные напряжения в массиве горных пород, в результате которых формируются напряжения в крепи, изменяются во времени и эти изменения могут приводить к увеличению напряжений в крепи, составляющих ≈30÷70% от нормативной прочности бетона. Изменение природных напряжений происходит с периодичностью от часов до сотен лет, и механизмформирования напряжения в крепи за счет этих напряжений неизвестен, хотя установлены случаи крупных разрушений крепи на десятках рудников в периоды, когда переменные во времени напряжения достигают своих экстремальных значений.

Вследствие этого поиск и выявление механизма формирования напряжений в крепи при действии природных напряжений с учетом их вариаций во времени является актуальной задачей современного шахтного строительства. <...>