Способ проходки глубоких шахтных стволов в слабых обводненных породах

 

СПОСОБ ПРОХОДКИ ГЛУБОКИХ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ В СЛАБЫХ ОБводавиных ПОРОДАХ, включающий предварительное определение упругих и прочностных Характеристик горных пород в заморо жеином состоянии,искусстйенное закиораживание горных пород для созда ..шя временного яедопородного ограждения проходку ствола эаходками с прслеяуадим возведением постоянной крепи тампонажем закрепленного пространства, отли чающийс я тем,что,с целью повышения эффективности проходки шахтных стволов путем уменьшения объема замораживания и обеспечения возможности {проходки стволов на большую глубину , при проходке ствола контролируют величину смещения ледопородного ограждения а , предельное значение которой определяют по формуле if - толщина стенки ледопородного ограждения; h - предельная длина заходки, определяемая по формуле в(.) пр р. - реологические параметры замороженного ледопородного массива; 1о расчетное время процесса отставания возведения постоянной крепи (интервал времени от начала обнажения стенки ледопородного ограждения до момента постановки крепи); предельно допустимый пр прогиб стенки ледопо1О родного огражденияf ф eicO-y- параметр,зависящий от толщины стенки ледоОд породного ограждения) со 00 P(t - величина горного давления на глубине заходки , а постоянную крепь возводят при до-стижении значения предельной величины смещения ледопородного ограждения.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

РЕСПУБЛИК (1% (11) ЗСЯ) E 21 0 1 12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3647223/22-03 .(22) 29.09.83 е (46) 30.11.84. Вюл. В 44 (72) С.С.Велов, С.Э.Городецкий, I0.К.Зарецкий, И.В.Клеев,; В.П.Петренко, A..È.Ïåâçéåð и В.П.Лукин (7I) Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт оснований и подземных сооружений им.Н.М.Герсеванова .(53) 622.253.3(088.8) .(56) 1.Трупак Н.Г. Специальные способы проведения горных выработок,.

М, Недра, 1976, С.262-263

2.Трупак Н.Г. Замораживание грунтов в подземном строительстве. М., Недра, 1974; с.82-89 (прототип) . (.54) (57) СПОСОБ ПРОХОДКИ ГЛУБОКИХ

И)АХТННХ СТВОЛОВ В СЛАБЫХ ОБВО1(НЕННЫХ

ПОРОДАХ, включающий предварительное определение упругих и прочностных характеристик горных пород в заморо. жеином состоянии, искусственное за-мораживание горных пород для -созда-,ния временного ледопородного ограждения проходку ствола. заходками с последующим возведением постоянной крепи И тампонажем закрепленного пространства, о.т л и ч а ю щ и й— с я тем,что,с целью повышения эффективности проходки шахтных стволов путем уменьшения объема замораживания и обеспечения возможности

1проходки стволов на большую глубину,при проходке ствола контролируют величину смещения ледопородного ограждения О, предельное значение которой определяют по формуле где d" — толщина стенки ледопородного ограждения;

h — предельная длина заходки, определяемая rio формуле

h=aA(tр)ь р

2 где Я(1 1 ил1 — реологические параметры замороженного ледопородяого массива, (Е p — расчетное время процесса отставания возве» дения постоянной.крепи (интервал времени от начала обнажения стенки ледопородного „ .Q ограждения до момента постановки крепи); предельно допустимый прогиб стенки ледопородного ограждения1

8(у)- .параметр,зависящий от толщины стенки ледопородного ограждениями

Р(С)- величина горного дав ления на глубине заходки, а постоянную крепь возводят при до-. стижении значения предельной величины смещения ледопородного ограждения.

1126698

Изобретение относится к горному делу, в частности к способам проходки шахтных стволов в слабых обводненных породах.

Известен способ проходки шахтных стволов в слабых породах, вклю- 5 чающий предварительное закрепление пород химическими, электрохимическими и др.методами для создания защитного ограждения, проходку ствола, крепление и тампонаж эакрепного про- 10 странства (1 .

Недостатком известного способа является ограниченная область применения, так как он не может быть использован в условиях глинистых и обводненных.пород.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ проходки шахтных стволов в слабых обнодненных породах, нключающий предварительное определение упругих н прочностных характеристик горных пород в замороженном состоянии, расчет толщины ледопородного ограждения, искусственное замораживание горных пород для создания временного ледопородного ограждения и проходку ствола заходками с последующим креп- лением и тампонажем закрепного пространства (21 30

Недостатком этого способа является то,что толщину стенки ледопородного ограждения принимают из условия работы замороженной породы лишь н области упругости, в результате чего 35 при проходке шахтного ствола на большую глубину возникает необходимость образования больших толщин ледопородного ограждения, связанных со значительными объемами работ по эа- 4О мораживанию и трудоемкостью, с расходом большого количества дефицитных материалов и удлинением сроков строительства, н результате чего область применения этого способа ограничи- 45 вается глубинами стволов, как пранило, не более ЗОО м.

Целью изобретения является повышение эффективности проходки шахтных стволов путем уменьшения объема замораживания и обеспечения возмож ности проходки стволов на большую глубину.

Поставленная цель -достигается тем. что согласно способу проходки глубоких шахтных стволов в слабых обвод 55 ненных породах, включающему предва- 1 рительное определение упругих и npoi- . ностных характеристик горных пород в замороженном состоянии,. искусственное замораживание горных пород для 60 создания временного ледопородного ограждения и проходку ствола заходками с последующим возведением постоянной крепи и тампонажем закрепного пространства, при проходке ствола конт" 5

Ролируют величину смещения ледопородного ограждения 0 >, предельное значение которой определяют по формуле где У вЂ” толщина стенки ледопородного ограждения; h - -предельная длина эаходки, определяемая по формуле р > > >т В(сй

Z где AP>j и в > - реологические параметры замороженного .ледопородного массива;

- предельно допустимый прогнб стенки ледопородного ограждения;

9(8 ) — параметр, зависящий от толщины стенки ледопородного ограждения;

Р - величина горного данz ления на глубине заходки, а постоянную крепь возводят при достижении значения предельной величины смещения ледопородного ограждения.

Исходным решением для вывода формулы предельной величины эаходки янляется известное решение о смещении

0,>,.стенки толстостенной трубы неограниченной длины под воздействием радиального давления Р, полученное на основе теории пластичности. Эта задача решается иэ совместного рас . смотрения уравнений равновесия,, уравнений неразрывности деформации и уравнения нелинейного пластического деформирования по закону где и 6 — деформация и напряжение; и ш — пластического деформирования.

Полученное решение может быть представлено в виде — 1а еР— > (21

Ь= д г где е и Ь - внутренний (вчерне) и внешний радиусы трубы.

Для использования формулы (2) необходимо учитывать разнити» п>>астн98 для твердых глин где

0,9Л

u$(t}Z или

3 11266 ческих деформаций замороженной породы во времени, т.е. явление ползуче-. сти1 ограничение длины ледопородного ограждения путем его эащемления по концам обнаженного участка проходки длиной Ъ 5

Учет явления полэучести осуществляется тем, что параметр пластичности A в формуле (1) рассматривается как функция времени A=A(t), что характеризует развитие пластических деформаций ползучести. ПараметрыА (4) и ат определяют из испытания на ползучесть образцов замороженной породы при заданной температуре 8 в результате чего получают семейство кривых. ползучести- f- 4 при различных

6 . Эти кривые перестраивают в семейство кривых напряжение 6 — деформация для различцых моментов времени 1, откуда находят значение параметра е (от t не зависящего) и значения па- 2Р раметра A (t) для различных 4 . На основе этих данных. строят график изменения А (1) .во времени и по нему находят значение A(tp) для расчетного момента времени 25

Учет защемления ледопородного цилиндра осуществляют введением коэффициента (0 g Е < О, 5), характеризующего условия защемления верхнего и нижнего концов обнаженного участка Зр ледопородногс ограждения. В верхнем конце это эащемление осуществляется постановкой крепи, а в нижнем— естественной (замороженной или талой) породой, расположенной ниже дна забоя 35 массива.

Принимая линейный закон распределения касательных напряжений по высоте и находя их значения в местах заделки, получаем расчетную формулу

В (") — функция отношения Ъ/«, т.е. толщина стенки д" b-а.

На основе проведенных опытов установлено, что коэффициент защемления можно принять равным . =,0 1, 55 а значение равно: для пылеватых водонасыщенных песков и супесей в -0,27; для суглинков и мягкопластичных глин m=0,3;для твердых глин

m 0,4. Соответственно, формула (4) для песков и супесей имеет вид для суглинков и мягкопластичных .глин

Параметр A(fp ) зависит от расчетного времени 1р и от температуры замороженной породы t) .

В табл.1 представлены экспериментально установленные значения

А(1р) при разных Ср и- О .

В табл.2 представлены значения длительной прочности 69(t<) при разных Ф.р и 8, Время отставания. процесса возведения постоянной крепи контролируется по предельной величине смещения стенки ледопородного ограждения, определяемой из выражения где П, — предельная величина смещения ледопородного ограж. дения; толщина стенки цилиндра ледопородного ограждения, причем прогиб колонки пропорционален смещению стенки.

Для проверки толщины стенки ледапородного ограждения по прочности (по первому предельному состоянию) используют условие идеальной пластичности, согласно которому в формуле (1) принимается . rn 0 „ A=6, где

Ьэ — предел прочности. Учитывая явление снижения прочности замороженной породы в зависимости от времени действия нагрузки, рассматривая 6 как функцию времени 6 (), значение

6(t) определяют из опытов на ползучесть с доведением образцов до разрушения. Зависимость между разрушающей нагрузкой 69 и временем до разрушения 1„ определяет кривую длительной прочности. Для расчета выби-. рают на этой кривой значение 6 (t<), соответствующее расчетному временй

1р . Тогда формулы расчета толщины стенки ледопородного ограждения по условию прочности пол чаются нз формулы (3) путем подстановки в нее перечисленных выше условий =0, A b (tp), (= 0,1

1126698

8 3 5р2 ЗрЗ; 13,8 7,6 4,2

955734

8,5 5,1 2,9

77 48 3,1 11,3 6,2 34

7р1 4 4 2 8, 9 1 5 0 2 8

7,5 4,5 2,6

240

Предлагаемый способ проходки глубоких шахтных стволов в слабых . обводиенных породах исходит из основного положения реологии мерзлых грун» тов, заключающегося в том, что в замороженных грунтах развиваются во времеви пластические деформации ползучести, а прочность пород снижается. Поэтому при устройстве ледопородного цилиндра в качестве защитного ограждения необходимо учитывать вре- ® мя его работы от момента обнажения стенки ледопородного ограждения до момента возведения постоянной крепи и твердения тампонажного.раствора. Нарастание пластических деформаций за 15 этот период зависит от реологических свойств замороженного ледопородного массива, температуры, величины горного давления, размеров стенки ледопородного цилиндра и длины заходки. р()

Толщину стенки ледопородного .ограждения и длину заходки определяют по двум предельным состояниям: по .прочности ледОпородного ограждения и по деФормациям - смещениям стенки ограждения. Определение предельной прочности ледопородного ограждения производится исходя из недопустимости нарушения монолитности ледопородного ограждения и прорыва грунтовых вод и плывуна. Это определение производится по приведенным формулам (6) с введением в них значения прочности для данного расчетного времени

Определение предельной деформации производится исходя из предельно дО З пустимого прогиба эамораживающиХ труб и недопустимости их разрыва с целью .исключения размораживания ледопородного ограждения.

Предлагаемый способ проходки 4Q глубоких шахтных стволов в слабых обводненных породах осуществляется следующим образом.

С помощью известных средств с поверхности по контуру сечения шахт- 4g ного ствола бурят скважины. параллель« но оси ствола на требуемую глубину заложения, оборудуют скважины . эамораживающими колонками и производят искусственное замораживание ледопородного цилиндра известными методами, предварительно выбрав (определив) по данным инженерно-геологических .изысканий и экспериментальных иссле-. дований оптимальную толщину стенки ледопородного ограждения.

Перед проходкой очередного цикла ,заходки .определяют предельную ее длину в зависимости от реологических свойств замороженных пород, от горного давления и фактически образованной толщины стенки ледопо- . родного ограждения по формулам (3) и (4} .

Длина очередной эаходки ствола является переменной функцией и зависит от изменяющихся параметров свойств грунтов (пород) и глубины проходки.

В процессе проходки очередной эаходки ствола осуществляется контроль за предельным смещением внутренней поверхности ледопородного ограждения с помощью известных средств.

Предельная величина смещения. стенки ледопородного ограждения определяется из выражения (5) ..

Если контролируемая величина смещения стенки ледопородного ограждения приближается к предельному значению, то начинают срочно возводить постоянную крепь ствола.

Предлагаемый способ проходки глу боких шахтных стволов может .быть использован для строительства шахт, особенно в тех случаях, когда шахты проектируются с большой глубиной заложения в неблагоприятных горно-геологических условиях (в слабых обвод ненных породах)

Предлагаемый способ позволяет повысить эффективность проходки шахтных стволов.на большие глубины, ïîâûсить производительность труда проходчиков и темпы строительства стволов и ускорить ввод их .в эксплуатацию вследствие значительного сокращения трудоемкости по замораживанию.

Т а б л и ц а 1

1126698

Таблица 2

Длительная прочность 6 (р), NIIa,Время

Песок и супесь пыле- Суглинок и глина

Глина твердая при 8, C при О,ОС ватые при 9, С р, ч

-20 -10 -5

-20 -10 -5

-20 -10 -5

4,1 2,8 1,7

4,6 3,2 .1,9

6,2. 3,6 2,4

59 3 3. 22

5 3 3,1 1.9

4,2 3,0 1,8 3,9 2,5 1,6

3,7 2,3 1,5

3,8 .2,7 1,6

240

Заказ 8656/25 Тирам 435

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам. изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Подписное

Филиал ППП Патент, r.Óìãîðoä, ул.Проектная, 4

Составитель Л.Черепенкина

Редактор Л.Веселовская Техред С. Мигунова . Корректор Л.Пилипенко