книги / Методология проектирования строительства подземных сооружений

Датчики-сигнализаторы длиной 0,5 м рекомендуются к применению в выработках, породы кровли которых не склонны в вывалообразованию, так как в противном случае датчики-сигнализаторы выпадают вместе с отслоившейся породой и снять показания будет невозможно.

В породах, склонных к вывалообразованию, рекоменду­ ются к применению датчики длиной 1,5 м и 2,0 м.

Рассмотрим пример определения величины допустимых сигнальных смещений. Капитальную горную выработку сооружают буровзрывным способом в породах, склонных к вывалообразованию. Максимальные смещения породного контура выработки, закрепленной базовым вариантом крепи составляют U = 1 8 0 мм, предельно допустимые смещения этой крепи Unp = 95 мм, tk = 10 суток. Определяем по форму­ ле 4.28 предельную величину смещений контура выработки:

Uk = 95 - 180 • 10/100 = 77 мм.

Так как породы склонны к вывалообразованию, то при­ нимаем датчик длиной 1,5 м, и определяем величину сме­ щений, на которую его необходимо настроить, чтобы он сработал, когда смещения контура выработки составят 77 мм (см. зависимость 4.30)

Uj’* = - 0,0009 • 77 2 + 1,09 77 - 11,0 = 68 мм

Таким образом, в данном случае датчик-сигнализатор по­ лутораметровой длины необходимо настроить на величину смещений 68 мм. Когда он сработает, то это значит, что на контуре выработки реализовались смещения 77 мм, которые близки к критическим для данного варианта крепи - 95 мм и в 10 - дневный срок необходимо произвести ее усиление.

Выводы по главе

1. Особенностями деформирования породного массива, вмещающего выработку, проводимую в сложных условиях, являются: образование вокруг выработки области полного

разрушения горных порол в которой последние находятся в практически несвязном состоянии и при отсутствии крепи обрушаются в выработку. Величина зоны полного разруше­ ния достигает 2 - 3 метра в капитальных и 7 - 8 метров в подготовительных выработках; значительные смещения по­ родного контура выработки (свыше 500 мм) требуют приме­ нения конструкций крепи с повышенной податливостью. Наиболее интенсивно смещения породного контура выра­ ботки развиваются в первые 30 - 40 суток после ее проходки. За это время реализуется 50 - 70% конечных смещений кон­ тура; смещения породного контура выработки в породах IIIIV категории устойчивости резко отличаются по ее длине (в 5 - 6 раз), что свидетельствует о целесообразности примене­ ния для крепления выработки различных конструкций кре­ пи. Какого-либо периодического закона в колебаниях сме­ щений породного контура капитальных горных выработок не установлено. В основном оно определяется различием в физико-механических характеристиках вмещающих пород.

2. В связи с повышенными требованиями к долговечности крепи капитальных горных выработок, в случае их повтор­ ного использования при закрытии шахт основной упор при разработке таких конструкций должен делаться на крепи, использующие несущую способность самого породного мас­ сива как наиболее долговечного природного строительного материала.

3. Ввиду значительных колебаний смещений породного контура выработки по ее длине при проектировании ее строительства необходимо ориентироваться на комбиниро­ ванные конструкции крепи, отвечающие реальным проявле­ ниям горного давления на каждом участке выработки и до­ пускающими обратную связь между элементами системы «массив технология горная выработка». Эта обратная связь, прежде всего, заключается в оперативном контроле за фактическими проявлениями горного давления и внесение необходимых корректировок в устанавливаемые конструк­ ции крепи, определяемые в процессе проектирования строи­ тельства горной выработки.

4. Управляемая технология обеспечения устойчивого функционирования горной выработки заключается в нред-

верительном определении качественной и количественной оценки реализации механических процессов по ее длине в процессе строительства, эксплуатации и повторного исполь­ зования, последовательном выборе параметров базовой кре­ пи и крепи усиления для каждого конкретного участка и непрерывном геомониторинге, обеспечивающем обратную связь в системе «массив - технология — горная выработка».

5.Контроль устойчивости горной выработки в процессе

еежизненного цикла осуществляется инструментальным путем по критерию «сигнальные смещения», полученному в результате анализа деформационных процессов вокруг вы­ работки и учитывающим тип и параметры установленной базовой крепи, технологию проходки, конструкцию крепи усиления и время ее установки.

Глава 5

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГЕОСИСТЕМЫ

"МАССИВ - ТЕХНОЛОГИЯ - ПОДЗЕМНОЕ СООРУЖЕНИЕ"

§ 5.1. Общие положения

Разработанный методологический подход к проектирова­ нию строительства подземных сооружений увязан с общей теорией проектирования освоения недр, что достигается путем соответствия принимаемых решений совокупности общих требований по сохранению недр как видоизменяемо­ го георесурса.

Наиболее сложным процессом для проектирования строи­ тельства подземных сооружений является обеспечение их устойчивости в течение всего жизненного цикла. Основной составной частью обеспечения устойчивости подземных со­ оружений является их крепление.

Трудоемкость и стоимость крепления составляет 40 - 50%, а иногда и более, от общей трудоемкости и стоимости работ по строительству подземного сооружения.

В связи с ухудшением горно-геологических условий строительства горных выработок, связанных в первую очередь с увеличением глубины ведения горных работ, не­ смотря на возросшую за последние годы в 1,4 раза металлоемкость крепи и широкое применение тампонада закрепного пространства, ежегодный объем перекрепления составляет 10 15% общего объема вновь проводимых гор­ ных выработок, а на выработках глубоких шахт он доходит до 65%.

Особенно возрастает роль обеспечения длительной устой­ чивости подземных сооружений при их дальнейшем исполь­

зовании в новом функциональном качестве. Возведение мощных долговечных конструкций крепи в период строительства объекта требует привлечения значительных дополнительных капитальных затрат, которые начнут окупать себя лишь через много лет при его повторном ис­ пользовании, что в ряде случаев экономически нецелесооб­ разно.

Вместе с тем в условиях рынка строительство, как и все другие отрасли производственной сферы, приобретает но­ вый экономический смысл, связанный со свободной динами­ кой капитала и свободой деятельности каждого объекта собственности. На смену вертикальным отраслевым связям, преобладающим в административно-плановой экономике, приходят горизонтальные связи инвесторов, поэтому строительство как экономический процесс представляет со­ бой непрерывную инвестиционную деятельность собствен­ ников капитала на протяжении жизненных циклов зданий или сооружений, в возведение которых этот капитал был вложен.

В связи с этим в рамках разработанной методологии проектирования освоения подземного пространства, основанной на управляемых технологических процессах, особый интерес представляет исследование подсистемы "массив - технология - крепь", доминирующими критериями которой являются её надежность и экономичность (обеспечение устойчивости и безаварийного функциониро­ вания в течение всего срока службы в различном функцио­ нальном качестве и с соответствующими им минимальными затратами на каждом этапе существования подземного объ­ екта).

Экспериментальная проверка разработанной методологии была проведена в реальных условиях строительства капи­ тальных горных выработок в сложных геомеханических ус­ ловиях для наиболее трудоемкого процесса проходческого цикла - крепления.

Целью экспериментальных исследований была проверка основных положений управляемой технологии обеспечения устойчивого функционирования горной выработки, которая заключалась в предварительном определении качественной и

количественной оценки механических процессов по длине горной выработки, выборе оптимальных параметров базовой крепи и крепи усиления, непрерывном геомониторинге, обеспечивающим обратную связь в системе "массив - техно­ логия - горная выработка"

§ 5.2. Проектирование строительства горных выработок с крепью регулируемого сопротивления для экспериментальных участков шахт "Ворошиловградская Ns Г'и "Комсомолец Донбасса"

Экспериментальные исследования крепи регулируемого сопротивления производились на шахтах "Ворошиловград­ ская № 1", "Суходольская-Восточная" и "Комсомолец Дон­ басса". Первым этапом является проверка в натурных усло­ виях разработанной в § 4.4 методики проектирования строи­ тельства горных выработок с КРС.

На шахте "Ворошиловградская №1" в восточном полевом

откаточном штреке пл 1$ гор. 560 м в течение 15 лет прово­

дились наблюдения за смещениями кровли выработки. Гео­ логический разрез вмещающих пород по длине штрека и смещения его контура на отдельных участках представлены на рис. 5.1.

Смещения кровли штрека определялись на контурных реперных станциях по известной методике [88]. По проекту института "Южгипрошахт" штрек на всем своем протяжении крепился металлической арочной крепью из СВП-27 с плотностью установки арок 2,0 рамы на 1 метр и с железо­ бетонной затяжкой; через 30*40 суток производился на- брызг-бетон по затяжке и тампонаж закрепного пространст­ ва.

Из рис. 5.1 видно, что на первых пикетах выработку рас­ положена в зоне геологического нарушения — флексурной складки, смещения ее контура в этом месте составили 611 мм.

В дальнейшем штрек пересекал аргиллиты крепостью f= 2*3 и смещения его кровли составили 356 +360 мм. На большей части этого участка несущая способность установ­ ленной крепи была недостаточной для обеспечения устойчи­ вости штрека и он перекреплялся. С выходом в кровлю вы­ работки песчаника смещения кровли уменьшились до 80+157 мм, и на этом участке установленная крепь соответствовала фактическим проявлениям горного давления. Начиная с ПК 130, смещения кровли штрека уменьшились до 25+57мм, и на этом участке применяемая крепь обладала излишней несу­ щей способностью. На протяжении 3,5 км смещения кровли ппрека изменялись с 26 мм до 611 мм (более чем в 20 раз), пересекаемые породы относились ко всем четырем катего­ риям устойчивости пород по СНиП-И-94-80. Для крепления выработки в этих условиях возможно применение всех кон­ струкций крепи, предусмотренных нормами проектирования для различных категорий устойчивости пород. Длительное наблюдение за смещениями кровли штрека по его длине позволило сделать вывод о целесообразности применения в данных горно-геологических условиях крепи регулируемого сопротивления. В выработке были отобраны образцы горных пород для определения их физико-механических свойств, необходимых для проектирования крепи с регулируемой несущей способностью. В результате испытаний образцов на "жестком" прессе были получены следующие характеристи­ ки горных пород: R= 27,7+52,2 МПа, Е = МО4 МПа, % =10,

\ =1, Р =9, <р = 20°.

На первом этапе был выполнен расчет минимальных и максимальных смещений породного контура выработки в зависимости от несущей способности крепи по формулам 4.9+4.20, ожидаемых на экспериментальном участке. По по­ лученным значениям были построены графики зависимостей

основании [94] подбираем конструкции базовой крепи и крепей усиления. В данном случае в качестве базовой крепи при смещениях 13+ 14 мм целесообразно применение анкер­ ной крепи (область применения Umin = 10+50 мм), крепью

298

Рис 5.2. Проектирование КРС для экспериментальных участков шахты "Ворошиловградская № 1"

усиления является набрызг-бетон (область применения Umiu =60+120 мм).

Для выбранных базовой крепи и крепи усиления не пере­ крывается диапазон изменения возможных смещений от 120 мм до 188 мм, поэтому в общем случае здесь необходимо предусматривать второй этап усиления крепи. Однако учи­ тывая, что технологией работ на экспериментальном участке с целью безопасности ведения работ была предусмотрена установка металлической арочной крепи из СВП без контак­ та арок с породным массивом, то при возможном превыше­ нии смещениями контура выработки 120 мм и исчерпания несущей способности базовой крепи и крепи усиления в работу вступает арочная крепь, являющаяся в данном слу­ чае, по своей сути, вторым этапом усиления крепи.

Расчет параметров анкерной и набрызг-бетонной крепей был выполнен по методикам, изложенным в 5, 44. В резуль­ тате расчета были получены следующие параметры базовой анкерной крепи: длина анкера 1а=2,2 м, расстояние между анкерами а=1м( количество анкеров в ряду - 5 штук, несущая способность Рб = 0,074 МПа, податливость U6 = 50 мм. Пара­ метры крепи усиления: набрызг-бетон толщиной 90 мм, не­ сущая способность Ру=0,075 МПа, податливость Uy = 80 мм.

Тип и конструкция анкеров на экспериментальном участ­ ке были определены в результате натурных испытаний раз­ личных конструкций анкерной крепи.

Возможная высота вывалов породы при проведении штрека, определенная по зависимости 4.1, составляет hB = 1,62 м, то есть принятая длина анкера предотвратит возмож­ ные вывалы породы из кровли выработки. Нагрузка от вы­

валов породы Pjjjj = 0,03 МПа. Выбранная конструкция

базовой крепи имеет несущую способность Рдоп ^ ^доп • В этих условиях испытывались анкера трех типов:

•анкер с распорно-клиновым замком конструкции ДонУГИ. По технической характеристике этот анкер спо­ собен нести нагрузку до 40 кН, а затем начинает про­ скальзывать, образуя податливую систему. Однако в условиях размокающих обводненных пород распорно­ клиновой замок работал неудовлетворительно, штанга выдергивалась при нагрузке менее 10 кН; сталеполимерный анкер, закрепляемый по всей длине или ее части полиуретаном. Такой анкер выдерживал нагрузку до 100 кН и оставался в шпуре не извлечен­ ным. Однако жесткая система закрепления штанги создавала предпосылки для "обыгрывания" породы в районе устья шпура и потере несущей способности конструкции в целом;

анкер ДонУГИ-ВНИМИ, закрепляемый в шпуре с по­ мощью гранитной крошки. Технология установки та­ кого анкера в кровле выработки оказалась сложной. Его основное назначение упрочнение почвы выра­ ботки.