Обоснование эффективной технологии крепления глубоких вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях




НазваниеОбоснование эффективной технологии крепления глубоких вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях
страница1/4
Дата19.10.2012
Размер0.53 Mb.
ТипАвтореферат
  1   2   3   4


На правах рукописи


Плешко Михаил Степанович




обоснование эффективной технологии
крепления глубоких вертикальных стволов


в сложных горно-геологических условиях


Специальность
25.00.22 – «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»


Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук


Новочеркасск – 2010

Работа выполнена в Шахтинском институте (филиале) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» на кафедре «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы».


Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Ягодкин Феликс Игнатьевич


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Савин Игорь Ильич


доктор технических наук, профессор

Сергеев Сергей Валентинович


доктор технических наук, доцент

Привалов Александр Алексеевич


Ведущая организация – ГОУ ВПО «Московский государственный горный университет», г. Москва.


Защита состоится 14 декабря 2010 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.07 при Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) по адресу: 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, ЮРГТУ (НПИ), аудитория 107, тел./факс: (863-52) 2-84-63, email: ngtu@novoch.ru.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132).


Автореферат разослан «____» ноября 2010 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Колесниченко Евгений Александрович




Общая характеристика работы


Актуальность работы. В условиях глобальной мировой экономики одной из важнейших задач народного хозяйства Российской Федерации является сохранение ведущих позиций и дальнейшее эффективное развитие горнодобывающей отрасли, вносящей значительный вклад в валовой внутренний продукт страны.

Достаточно остро в настающее время стоит проблема энергобезопасности, решить которую невозможно без увеличения доли угля в выработке электроэнергии до показателей ведущих стан мира.

Все это вызывает необходимость разработки новых месторождений полезных ископаемых, а также реконструкции действующих горнодобывающих предприятий. Их вскрытие в большинстве случаев осуществляется вертикальными стволами различного назначения.

Средняя глубина сооружаемых вертикальных стволов в нашей стране составляет около 1000 м при максимальных значениях более 2 км. На их долю приходится около 30% стоимости и 50% общей продолжительности строительства шахты или рудника, при этом до 60% данных затрат связаны с креплением выработок. Анализ динамики развития технико-экономических показателей проходки и крепления вертикальных стволов в нашей стране показывает, что в течение последних 40 лет их существенного улучшения не наблюдается, несмотря на отдельные бесспорные практические и научно-технические достижения. Обусловлено это тем, что с переходом горных работ на большие глубины и ухудшением горно-геологических условий, проектная несущая способность крепи увеличена в среднем в 2 раза, затраты на материалы крепи выросли в 1,5 - 2,0 раза, трудоемкость – в 2 - 2,5 раза, а производительность труда уменьшилась в 1,3 - 1,8 раза. Несмотря на это более 50% эксплуатируемых глубоких вертикальных стволов имеют те или иные нарушения крепи, а безремонтный срок службы приствольных выработок нередко составляет 3 - 4 года, что является неприемлемым для капитальных горных выработок.

Помимо объективных горно-геологических предпосылок одной из причин низкой технико-экономической эффективности проходки, крепления и эксплуатации глубоких стволов является использование устоявшихся подходов при их проектировании и строительстве, не всегда адекватных меняющимся условиям. Они базируются на неполных исходных данных и устаревшей нормативной базе и характеризуются повсеместным применением совмещенной схемы проходки с последующим армированием, ограниченным набором решений по повышению несущей способности крепи, основанных на экстенсивных принципах, недостаточным учетом влияющих горнотехнических и технологических факторов.

Фундаментальные исследования последних лет в области геомеханики и геотехнологии позволяют утверждать, что качественное улучшение эффективности сооружения и эксплуатации глубоких стволов возможно при переходе к инновационным методам проектирования и строительства, предусматривающим выполнение системного анализа взаимодействия отдельных элементов геотехнических систем и активное внедрение передовых конструктивных и технологических решений на основе современных средств упрочнения массива, высокоэффективных материалов крепи, прогрессивных схем проходки и др.

Исходя из этого теоретическое обобщение и научное обоснование инновационных методов проектирования, конструктивных и технологических решений в области крепления глубоких вертикальных стволов, направленных на повышение технико-экономической эффективности строительства и эксплуатации выработок, является актуальной научно-технической проблемой. Решению этой проблемы, имеющей также важное практическое значение, посвящена настоящая диссертационная работа.

Диссертация выполнена в рамках темы НИР 17.05 «Исследование геомеханических процессов подземного пространства, влияние этих процессов на сопутствующие среды и земную поверхность», выполняемой в Шахтинском институте ЮРГТУ (НПИ) по заданию Федерального агентства по образованию, госбюджетной темы кафедры подземного, промышленного, гражданского строительства и строительных материалов П53-801 «Разработать средства и способы крепления и охраны горных выработок и обеспечения безопасности труда на горных и строящихся предприятиях», а также в рамках реализации программно-целевых мероприятий Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов, поддержанного Аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009 - 2010 гг.) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (государственный контракт 14.740.11.0427).

Цель работы: обоснование параметров эффективной технологии крепления глубоких вертикальных стволов на основе комплексного учета горнотехнических и технологических факторов, обеспечивающей снижение затрат при их строительстве и эксплуатации в сложных горно-геологических условиях.

Идея работы заключается в комплексном учете особенностей взаимодействия элементов системы «породный массив – технология – вертикальный ствол» на стадии строительства при обосновании управляющих воздействий по улучшению режима работы, повышению несущей способности и эксплуатационной надежности крепи глубоких вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований: анализ и обобщение научно-технических достижений по проблеме; вероятностно-статистический анализ; проведение лабораторных и шахтных экспериментов; аналитические исследования с использованием апробированных программных средств и с применением положений механики сплошной среды и механики подземных сооружений; технико-экономический анализ, опытно-промышленная проверка результатов исследований.


Защищаемые научные положения:

  1. С увеличением скорости проходки ствола и интенсивности набора прочности бетона происходит снижение запаса несущей способности монолитной бетонной крепи, возведенной по совмещенной технологической схеме, по обратно пропорциональной зависимости, обусловленной уменьшением суммарной величины податливости крепи в раннем возрасте. Повысить несущую способность крепи на 20 - 25% можно путем увеличения отношения прочности бетона крепи к его модулю деформации в раннем и проектном возрасте за счет применения обоснованных составов бетона.

  2. Обоснование параметров анкерно-бетонной крепи с учетом взаимного влияния и изменения в призабойной зоне ствола усилий в анкерах, жесткости бетонной крепи и напряжений в ней обеспечивает равномерность загружения ее конструктивных элементов и повышает технико-экономическую эффективность применения крепи.

  3. При проходке глубоких стволов в неустойчивых породах по параллельной схеме с отставанием возведения монолитной бетонной крепи от забоя на 15 - 25 м необходимые параметры анкерного упрочнения определяются размером зон разрушения и сниженной прочности обнаженных пород призабойного участка в сечении на высоте 2,0 - 2,5 радиусов ствола вчерне.

  4. Влияние породного слоя ограниченной мощности с низкими физико-механическими характеристиками на крепь ствола заключается в многократном увеличении нормальных тангенциальных напряжений, возникновении асимметрии напряжений по высоте и диаметру оболочки крепи, нелинейно возрастающей при увеличении угла залегания слоя с 0 до 250 с достижением максимума при α=25 - 300. Для компенсирования этого влияния целесообразно комбинированное опережающее и последующее упрочнение «слабого» слоя, а также примыкающих более прочных пород на высоту h =1,5m(1+sinα), где m – мощность «слабого» слоя.

  5. При строительстве приствольных выработок в крепи на определенных участках ствола формируется отличное от периода эксплуатации напряженно-деформированное состояние, характеризуемое скачкообразным и нелинейным ростом напряжений и деформаций по мере проходки, возникновением асимметрии нагрузок на крепь со смещающимся пиком интенсивности. Закономерности его изменения являются исходной базой для обоснования управляющих воздействий по повышению эффективности крепления стволов в данной зоне.

  6. Реализация системы управляющих воздействий, предусматривающей применение: обоснованной последовательности ввода элементов крепи в работу; материалов крепи, адекватных технологии работ и влияющим горнотехническим факторам; опережающего и последующего анкерного упрочнения; комбинированной крепи жесткой и ограниченно податливой конструкции позволяет обеспечить необходимую эксплуатационную надежность крепи глубоких стволов при снижении затрат в 1,3 - 1,7 раз.


Научное значение и новизна работы заключается в следующем:

  1. Доказано, что изменение суммарной податливости монолитной бетонной крепи в раннем возрасте на основе учета прочностных и деформационных свойств бетона, а также параметров технологии работ позволяет увеличить запас несущей способности крепи, возведенной по совмещенной технологической схеме.

  2. Установлены закономерности формирования напряженно-деформированного состояния анкерно-бетонной крепи в призабойной зоне ствола при совмещенной схеме проходки и получены новые зависимости, учитывающие изменение и взаимное влияние усилий в анкерах, жесткости бетонной крепи и интенсивности напряжений в ней.

  3. Обоснованы параметры упрочняющей анкерной крепи при параллельной схеме проходки глубоких стволов в неустойчивых породах, учитывающие изменение напряжений в породах призабойного участка в случае образования в околоствольном массиве зон разрушения и сниженной прочности.

  4. Выявлены закономерности влияния породного слоя ограниченной мощности с низкими физико-механическими характеристиками на напряженно-деформированное состояние крепи и вмещающих «слабый» слой пород по мере его поэтапного обнажения в призабойной зоне ствола, учитывающие мощность, угол залегания слоя, а также соотношение модулей деформации контактирующих пород.

  5. Определены закономерности динамики изменения напряженно-деформированного состояния крепи ствола в характерных зонах влияния приствольных выработок в период их строительства, отличающиеся комплексным учетом технологии работ и пространственных геометрических параметров подземных сооружений.

  6. Дано аналитическое решение задачи по анализу взаимодействия анкерно-бетонной крепи с породным массивом на протяженном участке ствола, позволяющее определить величину напряжений и деформаций в произвольной точке сечения монолитной бетонной крепи при различных схемах установки и параметрах анкеров.

  7. Разработан алгоритм выбора управляющих воздействий по повышению эффективности крепления глубоких стволов в сложных горно-геологических условиях, учитывающий параметры технологии работ и негативные горнотехнические факторы по каждому характерному участку ствола.

Обоснованность и достоверность научных положений, основных выводов и рекомендаций подтверждается статистически значимым объемом лабораторных и шахтных исследований, сочетанием теоретических и экспериментальных исследований с использованием апробированных методик и фундаментальных положений механики сплошной среды, механики подземных сооружений, теории вероятности, математической статистики с применением апробированных программных средств, удовлетворительной сходимостью результатов математического моделирования и экспериментальных исследований (расхождения не превышают 20%), высокими значениями коэффициентов корреляции полученных автором корреляционных зависимостей (0,87 - 0,93), положительными результатами проверки и внедрения в производство конструктивных и технологических решений в условиях строительства новых и реконструкции действующих горнодобывающих предприятий.

Практическая значимость работы заключается в разработке технических и технологических управляющих воздействий по повышению эффективности крепления глубоких вертикальных стволов при совмещенной и параллельной схемах проходки на обычных участках ствола, а также в характерных зонах влияния неоднородных пород и приствольных выработок, позволяющих обеспечить необходимую эксплуатационную надежность крепи при снижении затрат в 1,3 - 1,7 раз.

Их внедрение стало возможным за счет разработки эффективных составов бетона крепи стволов, адекватных конкретной технологии работ и влияющим горнотехническим факторам, обосновании параметров анкерной и комбинированной крепи жесткой и ограниченно податливой конструкции для различных условий применения, а также разработки шести технологических карт строительства глубоких вертикальных стволов, реализующих данные управляющие воздействия.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные результаты работы использованы ОАО «Наука и практика» при разработке следующей проектной документации: проекта крепления скипового ствола «Дарасунского» рудника; проекта реконструкции камер загрузочных устройств главного ствола «Узельгинского» рудника; проекта крепления вентиляционного ствола «Донского ГОКа». Результаты работы использованы ОАО «Шахта «Красноармейская Западная №1»» при разработке проектов крепления вертикальных стволов шахты.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на международных научных симпозиумах и конференциях: «Неделя горняка» (Москва, 2004 - 2010 гг.); «Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений» (ДонНТУ, 2006 - 2008 г.); «Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород» (Восточно-Украинский национальный университет им. Даля, 2006 г.); «Проблемы горного дела и экологии горного производства» (г. Антрацит, 2007 - 2009 гг.), «Форум горняков» (Днепропетровск, 2007 г.); «Перспективные технологии добычи и использования углей Донбасса»
(ЮРГТУ (НПИ), 2009 г.); 53-58 научные конференции Шахтинского института (филиала) ЮРГТУ (НПИ) (г. Шахты, 2003 - 2010 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 70 научных работ, в том числе 2 монографии, 1 патент, 22 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников из 258 наименований и 2 приложений. Содержит 307 страниц машинописного текста, 176 рисунков и 52 таблицы.

Основное содержание работы


Развитие науки о креплении вертикальных стволов характеризуется несколькими основными периодами.

Основной особенностью первого этапа является рассмотрение горного давления пород в виде заданной статической нагрузки, для восприятия которой необходима установка той или иной конструкции крепи. Нагрузка при этом не зависит от величины деформаций массива, параметров крепи, способа проходки и технологии крепления. В рамках такого подхода разработан ряд гипотез, развитых в работах В.И. Белова, М.П. Бродского, А.Н. Динника, А.П. Максимова, Ю.А. Онищенко, Н.М. Покровского, М.М. Протодьяконова, П.М. Цимбаревича, Л.Д. Шевякова и др. Расчет крепи основывался на методах строительной механики.

Второй период характеризуется переходом к схеме «контактного взаимодействия крепи и массива», механизм которого существенно зависит от допускаемых этой крепью перемещений поверхности выработки и деформаций пород, при этом нагрузка на крепь может широко изменяться в одних и тех же условиях в зависимости от вида крепи и технологии крепления. Основы этой гипотезы заложены в работах Ф.А. Белаенко, Г.А. Крупенникова, К.В. Руппенейта, Г.Н. Савина и др. В дальнейшем на ее основе разработаны методические основы расчета крепи стволов (И.В. Баклашов, Н.С. Булычев, А.А. Борисов, Б.А. Картозия, А.М. Козел, Г.И. Кравченко, О.В. Тимофеев, Н.Н. Фотиева и др.), а также методы оценки устойчивости породных массивов, вмещающих подземные сооружения (Б.З. Амусин, К.А. Ардашев, И.В. Баклашов, Н.С. Булычев, В.В. Виноградов, В.Т. Глушко, Ж.С. Ержанов, Б.А. Картозия, Ю.З. Заславский, А.А. Козел, Ю.М. Либерман, Г.Г. Литвинский, А.П. Максимов, А.Г. Протосеня, Н.Н. Фотиева, Г.С. Франкевич, И.Л. Черняк, А.Н. Шашенко и др.).

Получили распространение методы расчета анкерной крепи стволов, рассматривающие влияние анкеров на напряженно-деформированное состояние породного массива вблизи выработок (Р.Ю. Завьялов, Д.И. Колин, Г.И. Кравченко, М.Н. Степанян и др.). Однако, применительно к комбинированным анкерно-бетонным схемам крепления вертикальных стволов, эти методы нуждаются в дальнейшем совершенствовании.

На основании выполненных исследований основным видом расчета стало аналитическое решение плоской контактной задачи по взаимодействию системы «крепь – массив», на основе которого определялись необходимые параметры крепи. При строительстве стволов малой и средней глубины такой подход был вполне оправданным, однако с переходом горных работ на большие глубины произошло значительное усложнение условий строительства, увеличилось влияние неоднородности и реологических свойств пород, приствольных выработок, очистных работ и др. Каждый характерный участок глубокого ствола, по сути, стал представлять собой уникальную геотехническую систему, подверженную влиянию комплекса факторов.

Рассмотрение таких систем стало возможным с развитием компьютерной техники и появлением программных средств, реализующих те или иные математические методы. Их использование позволило перейти к новому, постоянно совершенствуемому, способу исследования геомеханических процессов  вычислительному эксперименту, основанному на расчете серии вариантов при изменении влияющих параметров.

Постепенно стало меняться представление о назначении крепи выработок, от ее рассмотрения только в качестве грузонесущей конструкции, сопротивляющейся деформированию пород, к пониманию механизма взаимодействия системы «крепь – массив» и попыткам управления им.

Примерами реализации этой концепции являются: идея о поэтапном формировании многослойной конструкции крепи (Н.С. Булычев), создание крепи ствола переменного сопротивления (Ф.И. Ягодкин), комплексный метод тампонажа (Э.Я. Кипко и Ю.А. Полозов), крепь с локальным скользящим слоем и осадочными швами для зон влияния очистных работ (А.М. Козел), крепь с внутренней конструктивной податливостью (Ю.З. Заславский), Ново-Австрийский метод строительства (А. Бруннер, Л. фон Рабцевич, Л. Мюллер) и др.

Логичным продолжением этих идей стал предложенный в работах В.В. Левита переход к рассмотрению системы «крепь – регулятивный элемент – породный массив», где под понятием «регулятивный элемент» подразумевается комплекс мер по управлению деформированием массива и крепи, например, изменение конструкции крепи, тампонаж, включение дополнительных податливых элементов и др. В то же время влияние технологических факторов на эффективность взаимодействия предложенной системы осталось не рассмотренным.

Отметим, что реализация таких решений требовала качественно более полных исходных данных, а также знаний о процессах взаимодействия крепи и массива на различных стадиях строительства и эксплуатации ствола. В этой связи значительный интерес представляет концепция двухстадийного проектирования, выдвинутая К.А. Ардашевым, а также разработанная И.И. Савиным информационная система мониторинга состояния крепи в вертикальных шахтных стволах, но по ряду причин данные идеи не получили широкого распространения на практике.

В целом внедрение рассмотренных научных достижений позволило решить ряд задач, стоящих перед строительной геотехнологией, однако единый механизм управляющих воздействий по повышению эффективности крепления глубоких вертикальных стволов, основанный на тесной взаимосвязи конструкции, параметров крепи и технологии ее возведения, учете влияния комплекса горнотехнических и технологических факторов, создан не был.

В диссертации развивается подход к проектированию и строительству глубоких вертикальных стволов на основе рассмотрения системы «породный массив – технология – вертикальный ствол» (рис. 1), впервые предложенной, применительно к комплексу подземных сооружений, Б.А. Картозия.




  1   2   3   4

Похожие:

Обоснование эффективной технологии крепления глубоких вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях iconПрограмма подготовки «строительство глубоких нефтяных и газовых скважин в сложных горно-геологических условиях»
Тегазовое дело». В ргу нефти и газа имени И. М. Губкина проводится подготовка магистров по 25 программам. Приведенная Прооп разработана...
Обоснование эффективной технологии крепления глубоких вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях iconОбоснование технологических и конструктивных решений по армированию глубоких вертикальных стволов
Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет...
Обоснование эффективной технологии крепления глубоких вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях iconНиколаев Петр Владимирович
Совершенствование технологии строительства вертикальных стволов в условиях плотной городской застройки
Обоснование эффективной технологии крепления глубоких вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях iconГидратообразующие буровыЕ растворы для бурения в сложных горно-геологических условиях
Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Научно-производственная фирма «Геофизика» (оао нпф «Геофизика»)
Обоснование эффективной технологии крепления глубоких вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях iconПрограмма и правила проведения вступительных испытаний для абитуриентов, поступающих в магистратуру по направлению подготовки
«Нефтегазовое дело» (программа «Разработка нефтяных месторождений с нефтями повышенной и высокой вязкости в сложных горно-геологических...
Обоснование эффективной технологии крепления глубоких вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях iconРазработка тампонажных материалов и технологических жидкостей для заканчивания и ремонта скважин в осложненных горно-геологических условиях
Открытом акционерном обществе «Северо-Кавказский научно-исследовательский проектный институт природных газов»
Обоснование эффективной технологии крепления глубоких вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях iconБ. А. Картозия, Б. И. Федунец, М. Н. Шуплик, Ю. Н. Малышев
Рассмотрены методология проектирования, технико-экономическое обоснование строительства, проектирование технологии и организации...
Обоснование эффективной технологии крепления глубоких вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях iconОбоснование технологии буровзрывных работ в карьерах и открытых горно-строительных выработках на основе деформационного зонирования взрываемых уступов
Специальность 25. 00. 20 – «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»
Обоснование эффективной технологии крепления глубоких вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях iconНаучное обоснование и разработка технологии обогащения платинометальных руд зональных базит-ультрабазитовых комплексов в особых экологических условиях камчатки

Обоснование эффективной технологии крепления глубоких вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях iconСистемный подход к сейсмоизоляции зданий при сложных грунтовых условиях
Проблема сейсмоизоляции зданий при строительстве в сложных грунтовых условиях имеет свою специфику и требует системного подхода,...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница