Введение к работе
Актуальность. Устья вертикальних стволов шахт предназначены для эресечения зоны слабых выветрелых пород и четвертичных отложений . ри значительной мощности слабых пород, особенно в условиях их ригрузкн в окрестности устьев весом надзахтных сооружений, вблюдвэтся явления потери устойчивости массива как при проходке -ішали пород из-под опорных венцов, горизонтальные разрывы крепи, так при эксплуатации - неравномерные осадки надшахтных сооружений.
В настоящее время нагрузки на крепь устьев стволов определяются на знове яестко-пласткческой иодели, что предполагает полную потерю зтойчивости пассива в окрестности ствола, при этом анализ зтойчивости массива в основании фундаментов надшахтных сооружений, їитивакційі влияние закрепленного вертикального ствола, не зонзводнтся. Это существенно ограничивает возможности анализа эздействия веса надшахтных сооружений на массив и крепь ствола.
Таким образом, исследование нагрузок на крепь устья ствола, азванных влиянием надшахтных сооружений, и условий обеспечения їтойчивости массива в основании их фундаментов является актуальной зучной.задачей.
Настоящая работа является итого:-! исследований, выполненных в ютветствии с теыатаческим планоа ВИЗЕ! за 1989-1990 годы по теме ^39014000 "Разработать технические требования для проектирования »циональнах типов крепи и м.ер их охраны в Печорском угольном зссейне", й гос. регистрации GI3700948S5, в которых автор принимал іастие в качестве ответственного исполнителя.
Цель работы состоит в определении нагрузок на крепь устья фтикального шахтного ствола и напряженного состояния окружающих >род под влиянием веса надшахтного сооружения, что необходимо для ібора рациональной крепи устья ствола и обеспечения устойчивости >род.
Идея работы заключается в использовании решения осесиынетричной здачи теории упругости о полупространстве с жёстко-подкреплённой фтикальной цилиндрической полостью, к поверхности которого приложена івномерно распределённая по кольцу вертикальная нагрузка, для феделения дополнительных радиальных нагрузок на крепь ствола и тряжений в окружающих породах, что необходимо для оценки ;тойчивости пород, выбора рациональной конструкции устья и
- 2 -расположения фундамента относительно ствола.
Задачи исследования: -обоснование и разработка математической подели напряженного сссгояш пассива в окрестности устья ствола, пригрухенного весом надшахтног сооружения, создание пакета прикладных програми; -установление закономерностей нагружения крепи ствола; -разработка методических приемов изготовления и испытания объемны фотомеханических моделей, включающих существенно разномодульш элементы, в том числе - моделирование процессов неупругог деформирования массива;
-обоснование и разработка методов оценки устойчивости массива окрестности ствола, испытывающего вертикальну» пригрузку от фундамент надшахтного сооружения.
Методы исследования; -аналитическое исследование нагрузок на крепь устья ствола напряженного состояния массива методами теории упругости; -вычислительный эксперимент по определению параметров напряженног состояния массива в окрестности устья ствола с использованиеи пакет компьютерных программ;
-экспериментальные исследования упругих и пластических деформаци массива и крепи на объемных моделях методами фотомеханики.
Научные положения, выносимые на защиту;
1. Для задачи о пригрузке слабого массива в окрестное?
закрепленного ствола весом близко расположенных надшахтных сооружений
прикладываемой после проведения и крепления ствола, наиболе
адекватно» моделью является линейно деформируемое полупространство
абсолютно жестким проскальзывающим подкреплением вертикальне
цилиндрической полости.
2. Нагрузки на крепь устья ствола, вызванные весом надшахтны
сооружений, и нормальные тангенциальные напряжения в крепи киек
максимум, величина и вертикальная координата которого зависят с
наличия и величины ненагруженного участка на земной поверхности межи
стволом и фундаментом,. причем очертания эпюр нагрузок на крепь
нормальных тангенциальных напряжений в крепи качественно сопоставимы.
3. Распределение вертикальных напряжений в нетронуто
массиве, вызванных влиянием веса надшахтных сооружений, и на контаю
с жесткой крепью практически одинаково и с идущей в запас погрешность
- З -юпоставамо с распределениеы вертикальных напряжений в незакрепленной стволе.
4. Очертания эпюр распределения нормальных тангенциальных и іертикальних напряжений, вызванных влиянием веса надшахтных юоруженнй, на внутренней поверхности крепи ствола и на поверхности іассива в незакрепленном стволе качественно сопоставимы, і. Несуцая способность основания фундаментов надшахтных сооружений, неположенных вблизи устьев вертикальных стволов,а также опорных юнцов крепи, существенно снижается по сравнению с нетронутый taccBBou.
Достоверность научных результатов обеспечена строгим аналитическим гашением задачи теории упругости и удовлетворением граничных условий, :огласованиеы результатов теоретических и экспериментальных ісследований.
Научные положения, разработанные лично соискателем и новизна:
Разработана математическая модель напряженного состояния пород в жрестности устья ствола и метод расчета нагрузок на крепь (напряжений ш контакте крепи с массивом), вызванных весом надвахтного сооружения, ш основе решения обобщенной автором осесимыетричной задачи теории гсругостн о полупространстве с жестко подкрепленной вертикальной щлиндрической полостью, нагруженной по поверхности полупространства,
Разработаны и осувдетвлзш новые методические положения испытания >бъеиных моделей крепи ствола в пассиве пород методом фотомеханики, юзволяезие изготовлять и испытывать модели с соотношением ыодулей ;еформацнн ыатериала пород и крепн от 1:100 до 1:30 и воспроизводить процесс пластического деформирования пород.
Установлены зависимости максимальны.: нагрузок на крепь устья :твола и положения максимума по глубине ствола от размеров [ригруиаювдго фундамента. Установлено распределение напряжений в крепи гстья ствола по глубине, в том числе - в крепи ствола-фундамента іадиахтного сооружения.
Установлены зависимости максимальных вертикальных напряжений в юродных стенках ствола и вертикальной координаты максимума от >азыеров пригружавдего фундамента, а также - характер деформирования (виной поверхности (наличие и местоположение растягивающих напряжений, іеличина и характер вертикальных деформаций).
Разработан метод, алгоритм и программа расчета и построения
- 4 -условных зон пластических деформаций массива в окрестности уеты ствола под фундаментом надшахтного сооружения. Установлены зависимості конфигурации и размеров указанных зон от прочностных характеристш массива и размеров пригружающего фундамента.
Разработана методика оценки несущей' способности окружающего усть* ствола массива по критической стадии развития пластических деформаций.
Практическое значение работы
Результаты исследования позволяют: -с помощью пакета прикладных программ более обоснованно определят! радиальные нагрузки на крепи устьев стволов от влияния фундаментої надшахтных сооружений, что по сравнению с ныне действующей методикой позвоялет в породах с углом внутреннего трения « 10...15 снизить толщину крепи до 2035;
-более обоснованно назначать расчетное сопротивление основания фундаментов, размеры и расположение относительно ствола фундаыентоЕ надшахтных сооружений, и ширину опорных венцов (ступеней) устьег стволов;
-оценивать с помощью дополнительных напряжений в стенках незакрепленного ствола безопасность работ в окрестности пригружающих фундаментов.
Результаты работы используются институтом Гипрошахт.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на заседании Секции проектирования и шахтного строительства Совета Минуглепроыа СССР (Донецк ,1990), на конференции молодых специалистов БНИМИ (Ленинград,1990), на X Международной конференции по механике горных пород (Москва, 1993).
Публикации, основное содержание диссертации опубликовано в 5 работах.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, содержит 92 страницы машинописного текста, 37 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 125 наименований.
Автор приносит глубокую благодарность к.т.н. Е.И. Агуфу и к.ф.-н.н. М.С. Злотникову за поыоць, оказанную при выполнении диссертационной работы.
Похожие диссертации на Расчет нагрузок на крепь вертикальной выработки от сооружений типа башенного копра и несущей способности грунтового массива
