Обоснование оптимальных параметров проведения и крепления подземных сооружений в неустойчивых горных породах с использованием быстротвердеющих бетонов

Бауэр, Мария Александровна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование оптимальных параметров проведения и крепления подземных сооружений в неустойчивых горных породах с использованием быстротвердеющих бетонов
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование оптимальных параметров проведения и крепления подземных сооружений в неустойчивых горных породах с использованием быстротвердеющих бетонов"

Бауэр Мария Александровна

ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОВЕДЕНИЯ

И КРЕПЛЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ В НЕУСТОЙЧИВЫХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИХ БЕТОНОВ

25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 1 ДПР 2011

г. Новочеркасск - 2011

4844345

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

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Дмитриенко Владимир Александрович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, доцент Саммаль Андрей Сергеевич

кандидат технических наук Ряжских Алексей Юрьевич

Ведущая организация

ОАО «ШахтНИУИ»

Защита состоится « 29 » апреля 2011 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.07 при ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ), аудитория 107. тел. / факс:(863-52) 2-84-63, e-mail: ngtu@novoch.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)», с авторефератом - на сайте www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан « 23 » марта 2011 г.

Ученый секретарь Ь

диссертационного совета М.С. Плешко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Необходимость совершенствования инженерной и транспортной инфраструктуры в крупных городах требует освоения подземного пространства и соответственно роста объемов проходки выработок в неустойчивых наносных породах, о чем свидетельствует опыт строительства тоннелей различного назначения в Москве, Екатеринбурге, Перми и Уфе.

Строительство подземных сооружений и устьев вскрывающих горных выработок в наносных породах характеризуется очень сложными условиями прохождения, поэтому даже дорогостоящие проектные технологические решения проведения и крепления не исключают вывалов пород, разрушения крепи и других серьезных осложнений.

Специфические особенности наносных горных пород (малая прочность и большие смещения без нарушения сплошности массива) обуславливают, как правило, применение высокозатратных сплошных грузонесущих бетонных и железобетонных конструкций, возводимых после проходки с временной крепью. Зачастую для подземного строительства в сложных фунтовых условиях успешно применяется целый ряд специальных мероприятий для упрочнения пород (замораживание, электрохимическое закрепление, струйный тампонаж) и щитовая проходка протяженных выработок. Однако при этом удельные затраты на строительство подземных сооружений небольшой протяженности до 100 м (устья наклонных стволов, врезки тоннелей различного назначения, подземные переходы, эскалаторные ходки, подземные коллекторы, вентиляционные и технологические сбойки перегонных тоннелей) существенно возрастают. Таким образом, совершенствование технологии строительства подземных сооружений в грунтовых массивах с низкими физико-механическими свойствами пород приобретает особую актуальность.

Снижения смещений пород и соответственно вероятности обрушения незакрепленного массива при строительстве выработок в фунтах можно добиться уменьшением величины заходки, но при условии обеспечения достаточной несущей способности бетонной крепи, возводимой вслед за подвиганием забоя. Современные достижения в области быстротвердеющих бетонов позволяют получить требуемую СНиП минимальную прочность бетона, при которой можно вводить крепь в работу уже через сутки твердения. Однако при этом возникает необходимость знания закономерностей распределения напряжений в массиве и крепи с учетом изменяющихся во времени механических характеристик бетона.

Исходя из этого, автором исследуются условия строительства подземных сооружений в неустойчивых горных породах заходками менее 1 м, что позволит минимизировать пластические деформации контура выработки и исключить обрушения незакрепленного массива связных фунтов, а крепление быстротвердеющим монолитным бетоном сразу за обнажением пород обеспечит существенное снижение стоимости, продолжительности, трудоёмкости и материалоёмкости работ.

Диссертационная работа выполнена в рамках Федеральной целевой профаммы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, ^ ! гос. контракт 14.740.11.0427 и госбюджетной темы: ПЗ - 846 «Разработать ресурсосбере- у

гающую технологию строительства предприятий».

Целью работы является обоснование оптимальных параметров проведения подземных сооружений в неустойчивых горных породах и крепления их модифицирован-

ными бысгротвердеющими составами бетона, что исключает необходимость применения временной крепи, обеспечивая сокращение трудовых и финансовых затрат, а также сроков строительства.

Идея работы заключается в использовании закономерностей распределения напряжений в крепи по продольной оси выработки с учетом изменяющихся во времени характеристик бетона для обеспечения устойчивого состояния подземного сооружения за счет выбора оптимальной величины заходки и введения необходимого количества модификаторов.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе использован комплексный метод, включающий: анализ существующих технологий строительства подземных сооружений в неустойчивых породах; методы определения свойств бетонных смесей и бетонов, получаемых на их основе; методы планирования эксперимента; методы теории вероятности, математической статистики и корреляционного анализа.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- представительным объемом данных, полученных в результате имитационного моделирования на ЭВМ, имеющих удовлетворительную сходимость с существующими аналитическими решениями, а также удовлетворением граничных условий;

использованием современных программных средств и методики оптимального планирования расчетного эксперимента, обеспечивающих уровень достоверности регрессионных уравнений 0,75 - 0,98;

- испытанием более 200 составов и нескольких сотен контрольных образцов-близнецов, обеспечивающих доверительную вероятность 0,95 при погрешности менее 10%.

Научные положения, выносимые на защиту:

- устойчивое состояние незакрепленной призабойной части массива пород с коэффициентом сцепления 10-15 кПа и твердеющего бетона крепи, достигается путем уменьшения величины заходки до 0,3 - 0,7 м и введением оптимального количества модифицирующих добавок в состав, обеспечивающих увеличение скорости набора прочности бетона по сравнению с бездобавочным: через 12 часов твердения в 20 раз, а в суточном возрасте в 7 раз;

напряженно-деформированное состояние монолитной бетонной крепи, возведенной вслед за подвиганием забоя, характеризуется увеличением максимальных сжимающих напряжений в 1,2 - 1,5 раза через 9-18 часов твердения бетона в боку на внутреннем контуре на расстоянии 0,9 - 2,8 м от забоя и зависит от величины горного давления, величины заходки, толщины крепи, сцепления фунта и изменяющихся во времени механических характеристик бетона;

- предельная величина заходки в установленном диапазоне 0,3 - 0,7 м определяется корреляционной зависимостью от прочности модифицированного бетона в раннем возрасте при сжатии и величины горного давления.

Научная новизна работы состоит в:

- установлении влияния величины заходки на формирование зоны пластических деформаций, смещения и устойчивость незакрепленной части массива, с учетом полученных зависимостей изменения механических характеристик модифицированных составов бетона в раннем возрасте;

- получении корреляционных зависимостей максимальных напряжений в крепи выработки круглой формы от: толщины крепи; величины горного давления на нее; величины заходки; коэффициента сцепления грунта и модуля упругости бетона, позволяющих оценивать напряженное состояние крепи с изменяющимися во времени механическими характеристиками модифицированного бетона;

- теоретическом обосновании и разработке алгоритма расчета параметров проведения и крепления подземных сооружений: величины заходки, скорости подвига-ния забоя и толщины крепи.

Научное значение работы заключается в выявлении основных факторов, определяющих напряженно-деформированное состояние, и установлении зон и величин максимальных действующих напряжений в упрочняющейся во времени крепи подземных сооружений, возводимых в неустойчивых наносных породах, а также выявлении влияния различных модификаторов на кинетику гидратации цементов и установлении роста механических характеристик модифицированных бетонов во времени.

Практическое значение работы заключается в:

- разработке составов модифицированных бетонов для крепления подземных сооружений, обеспечивающих высокую несущую способность крепи в раннем возрасте;

- разработке методики проектирования параметров проведения и крепления подземных сооружений в неустойчивых породах;

- разработке технологии проведения и крепления подземных сооружений в неустойчивых породах короткими заходками;

разработке методики контроля изменяющейся прочности твердеющей бетонной крепи, позволяющей определить минимально возможную продолжительность проходческого цикла, при которой обеспечивается достаточный запас прочности крепи.

Реализация работы. Результаты работы использованы НТЦ «Наука и практика» на объектах Эльконского горно-металлургического комбината.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (2007 - 2009 гг.); на научно-практической конференции «Проблемы и основные факторы развития топливно-энергетического комплекса юга России» в рамках 3-го Южно-Российского форума «Энергоэффективная экономика», 2007 г.; в ЮРГТУ (НПИ) на международной научно-технической конференции «Строительный факультет — 100-летию университета»; на 1-й, 2-й, 3-й и 4-й международной научно-технической конференции ШИ (ф) ЮРГТУ (НПИ); на 4-ой международной научно-практической конференции «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии», 2006 г.; на 4-ой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», 2007 г.; на техническом совете ОАО «Донуголь», 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных статей, в том числе 4 - в изданиях, входящих в перечень рекомендуемых ВАК, 9 - без соавторов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературных источников из 89 наименований и двух приложений. Работа изложена на 208 страницах машинописного текста, содержит 19 таблиц и 80 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В результате анализа технологий строительства и конструкций крепей подземных сооружений, возводимых в грунтовых массивах, можно отметить, что наибольшее применение находят монолитные бетонные, металло-бетонные, сборные бетонные и железобетонные крепи. Длительные сроки набора прочности бетонов, используемых в подземном строительстве требуют применения последовательной технологической схемы и временной крепи, как правило, металлической. Проектирование параметров с учетом взаимодействия с массивом пород, выбор конструкций и технологии возведения крепей освещены в работах К. А. Ардашева, И. В. Баклашова, Н. С. Булычева,

A. Н. Динника, Ю. 3. Заславского, Б. А. Картозия, А. П. Максимова, М. М. Протодья-конова, А. Г. Протосеня, К. В. Руппенейта, Н. Н. Фотиевой и многих других.

Изучению особенностей и закономерностей деформирования и разрушения грунтовой среды, описанию взаимодействия с наземными и подземными сооружениями, количественной оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) массивов грунтов посвящены труды Н. X. Арутюняна, С. С. Вялов'а, И. К. Зарецкого, 3. Г. Тер-Мартиросяна, В. А. Флорина, Н. А. Цитовича и др. В них приводятся исследования механических свойств грунтов, обоснование их математических моделей и описание взаимодействия фунтового массива с инженерными сооружениями методами механики деформируемой сплошной среды. Отмечается также положительный опыт решения задач методами конечных элементов (МКЭ) и конечных разностей.

Наличие слабых наносных вмещающих пород, не способных длительное время сохранять проектные размеры и форму строящихся объектов, в которых ожидаются вывалы свода и стен, при современном состоянии строительства подземных сооружений предопределяет применение специальных способов для обеспечения устойчивости контура выработок. Значительный вклад в разработку технологий и методик проектирования специальных мероприятий по повышению устойчивости массива пород внесли такие ученые, как И. И. Вахрамеев, П. П. Гальченко, В. В. Знаменский,

B. А. Иванюк, Б. X. Наумов, Э. Я. Кипко, Н. Т. Логачев, Г. М. Ломтадзе, А. П. Максимов, И. Д. Насонов, Ю. А. Полозов, П. С. Сыркин, Н. Г. Трупак, Н. Т. Фатеев, М. Н. Шуплик и др. Что позволяет в настоящее время осуществлять строительство подземных сооружений практически в любых сложных горногеологических условиях, но в этом случае имеет место удорожание и существенное увеличение сроков производства работ, что отрицательно сказывается на инвестиционной привлекательности строительства.

Вышеуказанные исследования не в полной мере учитывают современные достижения в области быстротвердеющих бетонов и соответственно изменения несущей способности монолитной крепи в раннем возрасте, что при определенных механических характеристиках связных грунтов и небольшом промежутке времени между выемкой пород и креплением монолитным бетоном позволяет обычным способом, без обрушения, производить обнажение пород, но на величину заходки менее метра.

Опыт применения в строительстве бетонов с высокой ранней прочностью показывает, что существует множество способов и средств управления кинетикой струк-турообразования и твердения бетонов (магнито- и электроактивация воды затворения, механическая активация цемента, прогрев уложенной бетонной смеси, применение модифицирующих добавок), разработке которых посвящены работы Е. Г.Авакумова,

Продольный разрез

Н. В.Астахова, В. Г. Батракова, И. Г.Блохина, А. В. Волженского, И. С. Дубинина, Ф. М. Иванова, П. Г. Комохова, А. А. Никифорова, В. А. Помазкина, Л. Н. Попова, В. Б. Ратинова, П. А. Ребиндера, Н. Б. Урьева, М. Ш. Файнер, Г. С. Ходакова, А. А. Шишкина. По результатам анализа сделан вывод о том, что в подземном строительстве быстротвердеющие бетоны не нашли применения, ввиду специфической технологии возведения крепей в выработках и невозможности реализации большинства способов управления кинетикой гидратации цемента. Однако при условии разработки научно-обоснованных проектных и технологических решений, возможно и менее затратно использование модифицирующих добавок полифункционального действия для эффективного увеличения ранней прочности бетона и соответственно несущей способности крепи.

Проведенный анализ позволяет отметить, что при строительстве подземных сооружений в неустойчивых горных породах используются высокозатратные технологии и материалоемкие крепи, поскольку низкая прочность и ползучесть глинистых фунтов не позволяет использовать несущую способность массива. Вместе с тем новые эффективные материалы имеют ограниченное применение из-за отсутствия научно-обоснованных методик проектирования и технологий крепления.

Моделированием НДС грунтового массива и бетонной крепи проектной прочности в призабойной части выработки МКЭ установлено, что зона распространения пластических деформаций в выработке с величиной заходки 1 м (рис. 1 б) в 1,7 раз больше, чем при заходке 0,3 м (рис. 1 а). Причем при заходке 1 м деформации большей части контура незакрепленного массива превышают допустимые, и происходит обрушение. Таким образом, сокращение величины заходки позволяет уменьшить пластические деформации незакрепленной части выработки и забоя и обеспечить устойчивость породного контура. Уменьшение объемов работ в цикле сокращает Рисунок 1 - Размеры зон пластических Оеформа- интервал времени между ций и перемещения забоя выработки (мм) при обнажением контура выра-

величине заходки: а) 0.3 м; б) I м ботки и Угадкой бетона.

Обеспечение нормативных темпов строительства достигается путем быстрого набора прочности бетоном, при этом монолитная бетонная крепь, возводимая сразу вслед за подвиганием забоя, уплотняется за опалубкой горным давлением, а после перехода в твердое состояние начинает воспринимать нагрузки, передаваемые массивом пород. Естественно, в данном случае речь идет не об обычных бетонах, а о быстротвердеющих и высокопрочных.

Для получения бетонов с высокой ранней прочностью исследованы составы, модифицированные готовыми комплексными добавками УП-5, Д-5, Д-11, «Экстра», «Реламикс М»; «Реламикс Н» и «Реламикс С», содержащими ускорители твердения, суперпластификаторы и активные минеральные вещества. Установлено, что наилучшими показателями обладают добавки «Экстра» и Д-5, однако имеет место недостаточная скорость гидратации в период с 9 до 24 часов из-за негативного влияния суперпластификаторов, причем именно в этот период предполагаются максимальные напряжения в крепи. Для получения максимальной скорости роста прочности через 6 часов твердения при сохранении жизнеспособности смеси не менее 40 минут после затворения исследовано влияние ряда ускорителей твердения в составах.

Эффективность каждого из исследуемых ускорителей и выбор оптимальной дозировки в растворе предварительно оценивалось по температуре гидратации и росту пластической прочности. Лучшие результаты показаны составом, содержащим добавку Д-5 и силикат натрия в количестве 1,5%. На основании испытания образцов бетона, приготовленных по разработанным рецептурам, установлены зависимости для определения роста предела прочности при сжатии во времени, что необходимо для моделирования НДС системы «крепь-массив».

Логарифмической зависимостью хорошо описывается кинетика набора прочности модифицированных составов только после первых суток твердения. Для прогнозирования скорости набора прочности бетона в раннем возрасте уравнения регрессии составлены по двум интервалам - с момента затворения до 24 часов и с 24 до 72 часов, приведенные на рисунке 2.

Оценка эффективности применения быстротвердеющих бетонов осуществлялась при помощи моделирования, путем определения предельной глубины заложения выработки с минимальной технически целесообразной величиной заход-ки 0,3 м при сцеплении грунта, равном 0,01 и 0,015 МПа. В результате установлено, что использование быстротвердеющего бетона, по сравнению с бездобавочным, значительно расширяет область применения предлагаемой технологии строительства короткими заходками как по грунтовым условиям, так и по глубине заложения.

Оценка напряжений в упрочняющейся во времени бетонной крепи при изменении напряженно-деформированного состояния вмещающих пород по мере удаления от забоя в трехмерной постановке осуществлялась компьютерным моделированием с использованием оптимального планирования эксперимента. Для этого определены основные факторы, влияющие на изменение напряженно-деформированного состояния системы «крепь-массив»: величина заходки (I), давление на крепь (р), толщина крепи (к), сцепление грунта (С) и изменяющиеся во времени механические характеристики модифицированной бетонной крепи (Яб).

у = 1.4825х! - 2.1315Х+ 0 9425 К" = 0.9964

у = 0.9075х> - Я.6465х - 0.0825 И1 70.9994

5х' /0.639х « 0.055 И'Ла.В 974

у = 21.8471п(х)- 54.303

= 0.6х' -0.516x-0.01 Я" = 0.99Э9

у = 0.324б££-<Г8474х + 0.5237 И! = 1

Время твердения, часы

«без добавок

■ с добавкой Д-5 (2%)

А с добавкой Д-5 (2%) и сил. натр. (1%)

• с добавкой Д-5 (4%)

Ж с добавкой Д-5 (4%) и сил. натр. (1.5%)

а) до 24 часов времени твердения Рисунок 2 - Рост прочности на сжатие

24 30 36 42 48 54 60 66 72

Время твердения, часы

♦ без добавок

■ с добавкой Д-5 (2%) А с добавкой Д-5 (2%) и сил. натр. (1%)

• с добавкой Д-5 (4%)

Же добавкой Д-5 (4%) и сил. натр. (1.5%)

б) от 24 до 72 часов времени твердения бетонных модифицированных составов

Оптимальная величина заходки, не вызывающая предельных смещений, определялась путем создания и расчета дополнительных моделей системы «крепь-массив», различающихся величиной заходки при неизменном значении остальных факторов. Моделирование показало, что при наиболее опасных сочетаниях параметров прохождения и крепления в соответствии с граничными условиями, максимально возможная величина заходки, обеспечивающая устойчивое состояние породного контура, не превышает 0,7 м. Таким образом, диапазон варьирования величины заходки / принят в пределах 0,3 - 0,7 м.

Для определения величины горного давления за основу принята формула Лабасса А., в которой в качестве характеристик вмещающих пород учитываются их сцепление (С), угол внутреннего трения (<р) и объемный вес (у), что наиболее корректно для наносных пород. Радиус зоны пластических деформаций (Яг) определяется по регрессионному уравнению, выведенному на основе методики, предложенной С.Б. Колоколовым, с учетом исследуемого диапазона свойств пород:

= й0 (1.181 + ехр (2.6 - 0.11 - 6.72<р)) (1), где Я„ - радиус выработки вчерне, м; Н - глубина заложения выработки, м.

В работе рассматривается строительство в наносных грунтах, мощность которых в большинстве случаев не превышает 40 — 50 м, поэтому величина давления на крепь будет варьироваться, согласно расчетам, в пределах 0,2 - 0,8 МПа.

Толщина крепи принята в диапазоне 0,3 - 0,5 м, согласно СНиП.

Сцепление грунта варьируется в пределах от 0,01 до 0,015 МПа, что соответствует неустойчивым глинистым породам.

Прочность бетона от времени твердения, используемая при моделировании, получена путем исследования разработанных составов модифицированного быст-ротвердеющего бетона, соответствующих требованиям технологии по интенсивности набора прочности. Изменение механических характеристик определено для двенадцати интервалов твердения бетона от 6 до 72 часов, так как к этому времени быстротвердеюший бетон набирает порядка 90 - 95% марочной прочности.

Для реализации плана расчетного эксперимента построены и рассчитаны 25 моделей системы «крепь-массив», что позволило: выявить зоны и величины максимальных напряжений в крепи по мере удаления от забоя; вывести уравнения множественной регрессии для определения напряжений в крепи в зависимости от значений действующих факторов. Закономерности изменения напряженного состояния крепи по мере набора прочности бетоном и удаления от забоя в наиболее характерных точках контура крепи приведены на рисунках 3 и 4. В моделях ось Ъ совпадает с продольной осью выработки, а оси X и У соответственно с горизонтальной и вертикальной осями поперечного сечения.

Анализируя полученные закономерности, установлено, что максимальные сжимающие напряжения локализуются в боку выработки на внутреннем контуре крепи и достигают максимума в третьей закрепленной заходке, поскольку модифицированный бетон имеющий возраст 18 часов, перешел из пластичного состояния в твердое и способен сопротивляться нагрузкам. Таким образом, максимальные напряжения в крепи будут действовать в зависимости от параметров сооружения на расстоянии 0,9 - 2,8 м от забоя. Максимальные растягивающие напряжения обнаруживаются в своде выработки на внутреннем контуре крепи. Действующие растягивающие напряжения значительно меньше предела прочности бетона при растяжении в соответствующем возрасте и опасности разрушения не несут.

Статистическая обработка полученных результатов моделирования позволила вывести уравнения множественной регрессии для расчета максимальных напряжений, действующих в крепи по мере удаления от забоя, при возрасте бетона: для 6 часов

а =-5,97-0,39/+0,31/2+3.17/>2,71р2+26,5Л-32,68/г--101,96С+3094,12С2+22,92Я/'4-106,41 /?/*2 (Я2=0,75): (2)

для 9 часов

от =-22,07+4,91/-4,29/2+11,4р-8,7р2+102,3/г-129,08/г--788,86С+25829,12С2+7,55Д/" -2,82/?/"2 (Я2=0,83); (3)

для 12 часов

а =-5,93+ехр(2.03+0.18/+0,45/>-0,28/?-29,96Г+0,06/г„-"') (Я2=0,78); (4) для 18 часов

а =-6,41 +ехр( 1,36+0,27/+1.69/7+0,37/!-10,61 С+0.03/?,/'*'') (Л2=0,98); (5)

-400 ;

Заходки

а) на внутреннем контуре крепи

-600 !

Заходки

б) на наружном контуре крепи

Рисунок 3 - Распределение напряжений в крепи по мере удаления от забоя и набора прочности бетоном в своде выработки

а) на внутреннем контуре крепи

^»

^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ лг- л<в>

б) на наружном контуре крепи

Рисунок 4 - Распределение напряж ений в крепи по мере удаления от забоя и набора прочности бетоном в боку выработки

для 1 суток

а =-1,11 +ехр(-0,23+0.02/+1,11р40,39А-6.54С-Ю,01Л(/°"') (Я2=0.98); (6) для 2 суток

ст =-4,67+ехр( 1,08+0.23/+1,68р+0,68/;-13,480-0,01/?/'"") (Я2=0,97); (7) для 3 суток

а =-4,06+ехр(0.98+0,25/+1,84/7+0,74/?-16,77С+0,01 /?,/'"") (Я2=0,97). (8)

Полученные уравнения дают возможность определять максимальные напряжения, действующие в бетонной крепи, не прибегая к использованию МКЭ. Определения напряжений в крепи в возрасте бетона более трех суток не требуется, поскольку их величина существенно ниже несущей способности крепи в этом возрасте.

По результатам расчетов устойчивости породных обнажений для различных величин заходки, прочностных характеристик пород и крепи установлен диапазон варьирования величины заходки, находящийся в пределах 0,3 - 0,7 м, при которой применима разрабатываемая технология (таблица 1).

На основе статистической обработки полученного массива данных выведено регрессионное уравнение, позволяющее определять предельную, не вызывающую обрушения величину заходки в зависимости от прочности бетона при сжатии соответствующей возрасту, при котором производится выемка следующей заходки и величины давления на крепь:

I = 0,634 + 0,368йбичас) - 1,347р (9),

где Дбугчас) _ прочность бетона в возрасте, при котором несущая способность крепи не менее чем в полтора раза превышает действующие в ней напряжения, зависит от состава бетона и кинетики набора им прочности.

Таблт;а 1 - Изменение предельной полученной по результатам моделирования и _расчетной величины заходки, не вызывающей обрушения_

Прочность Величина Величина за-

при сжатии в давления ходки не вы- Расчетная

возрасте 9 ча- на крепь, зывающая об- величина Абсолютное

Состав сов, МПа МПа рушения, м заходки, м отклонение

Д-5 (2%) 0.93 05 0.3 0.303169 0.010563

093 0.35 0.5 0 505264 0.010528

093 02 0.7 0.707359 0010513

Д-5 (2%)+ +Силикат натрия (1%) 1.12 0.5 04 0.373146 -0.06713

1.12 0.35 06 0.575241 -0.04126

1.12 02 0.8 0.777336 -002833

Д-5 (4%) 1.57 065 0.3 0.336786 0.12262

1.57 0 5 0.5 0.538881 0.077762

1.57 035 0.7 0.740976 0058537

1 57 0.2 0.9 0.943071 0 047857

Д-5 (4%)+ + Силикат на1рия (1 5%) 18 0 65 045 0 421495 -0.06334

1.8 0.5 0.65 062359 -0 04063

1.8 0.35 085 0 825685 -0 02861

18 02 1 05 1.02778 -0.02116

0.003422

До перехода бетонной смеси из пластичного в твердое состояние устойчивость столба твердеющей смеси за опалубкой определяется ее пределом текучести при сдвиге, величина которого позволит рассчитывать минимально возможную продолжительность проходческого цикла.

Для этого исследованы изменения предела текучести при сдвиге в процессе твердения составов, и установлена его зависимость от пластической прочности структуры раствора. Испытание проводилось путем одиночного среза со сжатием, когда на образец в плоскости среза действует не только сдвигающие, но и нормальные сжимающие напряжения. Проведенные испытания позволили установить рост предела текучести при сдвиге состава во времени (рис. 5 а) и его зависимость от величины пластической прочности структуры (рис. 5 б).

»ЧОМя""

«1-1,5!]

219

111

% 169

«Л

1 140

П 121

<и % 190

Й. с= 10

»■■шма»''С.1ии(«'-«.згои

N - МЯ41

I г * { I и Время тверьения, час

а) Изменение предела текучести при сдвиге во времени

2090

2501

0 501 1009 1590 Пластическая прочность, кПа

б) Зависимость предела текучести при сдвиге от пластической прочности

Рисунок 5 - Изменение предела текучести при сдвиге во времени и его корреляционная связь с пластической прочностью состава

Полученные зависимости позволяют оперативно контролировать предел текучести при сдвиге состава и определять момент времени, в который можно производить следующую заходку, обнажая призабойную часть крепи, не опасаясь разрушения бетона под действием собственного веса.

Для определения времени, по истечении которого возможно производство работ следующей заходки, то есть продолжительности проходческого цикла, при использовании модифицированных составов бетона, строится график изменения расчетной прочности бетона и напряжений в крепи во времени. Производство следующей заходки будет возможно при условии превышения расчетной прочности бетона над действующими напряжениями.

На основании проведенных исследований и полученных результатов разработана методика, по которой осуществляется определение параметров прохождения и крепления подземного сооружения:

1. Расчет давления на крепь по формуле А. Лабасса с учетом радиуса зоны пластических деформаций, определенного по регрессионному уравнению (1).

2. Расчет максимальной величины заходки в зависимости от величины давления на крепь по формуле (9).

3. Выбор оптимальной толщины крепи в зависимости от прочности бетона на основе выведенного уравнения множественной регрессии (5), так как именно в возрасте 18 часов в крепи действуют максимальные напряжения.

4. Определение продолжительности проходческого цикла на основании построенного графика зависимостей действующих на крепь напряжений по формулам (2 - 8) и изменяющейся прочности бетона во времени.

Алгоритм расчета технологических параметров приведен на рисунке 6.

Рисунок 6 - Алгоритм расчета технологических параметров

Суть технологии строительства подземных сооружений кругового очертания (рис. 7) в неустойчивых наносных породах без применения предварительного упрочнения вмещающего массива заключается в выемке пород на величину заходки, не вызывающую предельных смещений и обрушений массива (короткими заходками). Крепление осуществляется модифицированным бетонном, обеспечивающим высокую несущую способность в раннем возрасте, сразу вслед за подви-ганием забоя. Бетонная смесь укладывается послойно, снизу вверх. В предлагаемой технологии для предотвращения потерь подвижной бетонной смеси используется герметизирующий пневмоэлемент, представляющий собой часть тороида с гантелеобразным поперечным сечением. Первоначально герметизатор накачива-

ется воздухом до некоторой величины внутреннего давления Р„11П, при котором элемент приобретает форму, но волокна материала еще не испытывают растяжения. Элемент расправляется и устанавливается в проектное положение. Далее производится закачивание до рабочего внутреннего давления Рра5, при котором герметизатор распирается между породной стенкой и опалубкой, изолируя заопа-лубочное пространство.

За время, необходимое для набора прочности бетоном, при котором достигается устойчивое состояние конструкции крепи, разрабатывается ядро сечения следующей заходки.

Поперечное сечение выработки пневмоэлемеит

1-1

Узел А

секция опалувкиу

породная стенка

Рисунок 7 - Технология прохождения и крепления пневмоэпемеит подземных сооружений укпадыааемая короткими заходками в бетонная смесь неустойчивых породах твердеющая бетонная смесь

Затем производится извлечение герметизирующего пневмоэлемента, доработка грунта новой заходки до полного сечения вчерне, монтаж секции опалубки следующей заходки и установка пневмоэлемента в новое положение.

С целью снижения затрат времени на монтаж-демонтаж опалубки и минимизацию динамических воздействий разработаны узлы соединения секций опалубки, обеспечивающие минимум затрат на монтаж и демонтаж щитов. Опалубка представляет собой два комплекта универсальных сегментов и один замковый. Сегменты правого и левого бока опалубки изготавливаются зеркально, что позволяет исключить наличие выступающих частей за контуры сегментов у забоя. В сооружениях круглого и сводчатого сечения соединение опалубки в единую конструкцию осуществляется посредством замкового сегмента, устанавливаемого в верхней части свода. Поперечная и вертикальная жесткость, а также соблюдение формы опалубки обеспечивается поперечными и вертикальными шаблонами, которые одновременно выполняют роль предохранительной конструкции, исключающей вывалы породы со стороны забоя. Кроме этого поперечные шаблоны служат для устройства подмостей при возведении опалубки и укладке бетона в верхние ярусы крепи.

Экономическая эффективность предлагаемых технологических решений рассчитана на примере строительства участка воздухоподающего наклонного ствола шахты «Кадамовская», согласно разработанного ППР. По сравнению с применением способа замораживания, проходка короткими заходками величиной 0,5 м позволяет сократить:

сроки строительства - на 67,9 - 56,4% (в зависимости от кинетики набора ранней прочности бетоном, используемым для крепления); прямые забойные затраты - на 80,5%; затраты труда рабочих - на 53,8%; стоимость материалов - на 54,5%; общую сметную стоимость — на 55,9%.

Даже без учета применения замораживания вмещающего массива использование совмещенной схемы взамен последовательной, за счет отказа от временной крепи, обеспечит снижение:

сроков строительства - на 34 - 10%; прямых забойных затрат - на 24,5%;

- затрат труда рабочих - на 25,5%; стоимости материалов - на 29,8%;

- общей сметной стоимости - на 29,5%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой изложены технические и технологические решения по проведению и креплению подземных сооружений небольшой протяженности в неустойчивых наносных породах короткими заходками по совмещенной схеме без применения специальных способов, позволяющие снизить затраты и продолжительность строительства, что имеет существенное значение для экономики страны.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

1. Установлено, что уменьшение величины заходки с 1 м до 0,3 м снижает размер зоны пластических деформаций в 1,7 раза, а максимальные смещения контура вмещающих пород с коэффициентом сцепления 10-15 кПа в 1,6 раза.

2. Разработаны эффективные составы модифицированных бетонов, обеспечивающие увеличение прочности бетона через 12 часов твердения в 20 раз, а в суточном возрасте в 7 раз по сравнению с бездобавочными.

3. Моделированием МКЭ напряженно-деформированного состояния незакрепленной призабойной части массива пород и твердеющего бетона монолитной крепи, возведенной вслед за подвиганием забоя, установлено увеличение максимальных сжимающих напряжений в 1,2 - 1,5 раза через 9-18 часов твердения бетона в боку на внутреннем контуре на расстоянии 0,9 - 2,8 м от забоя.

4. Выявлено, что величина максимальных напряжений зависит от величины горного давления, величины заходки, толщины крепи, сцепления грунта, установленной зависимости изменения во времени механических характеристик модифицированного бетона и определяется по регрессионным уравнениям (2 - 8), полученным в результате реализации плана расчетного эксперимента.

5. Разработана технология проведения и крепления подземных сооружений в неустойчивых породах короткими заходками.

6. Обеспечено качественное крепление, выполняемое по разработанной технологии, путем использования сборно-разборной опалубки и пневматического герметизатора.

7. Контроль устойчивого состояния бетона за опалубкой и время снятия герметизатора можно осуществлять по установленной зависимости предела текучести при сдвиге от пластической прочности раствора в бетоне.

8. На основании установленных закономерностей и зависимостей разработана методика проектирования параметров проведения и крепления подземного сооружения по предлагаемой технологии.

9. Выявлен значительный экономический эффект применения технологии строительства подземных сооружений короткими заходками в неустойчивых породах по сравнению с применением специального способа.

10. Основные выводы и предложения диссертационной работы доложены 22.08.2010 г. на техническом совете ОАО «Донуголь» и рекомендованы к внедрению при проектировании строительства устьев трех наклонных стволов шахты «Кадамовская».

11. Разработанные составы модифицированных бетонов для крепления и методика контроля их ранней прочности применены при строительстве стволов № 1, 2, 3 Эльконского горно-металлургического комбината, что обеспечило сокращение продолжительности проходческого цикла на 10-15%.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Дмитриенко В.А., Бауэр М.А. К вопросу проектирования элементов опалубки при креплении горных выработок монолитным бетоном в сложных горногеологических условиях // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 2007. - №2 - С. 254-259.

2. Дмитриенко В.А., Бауэр М.А. Выбор эффективных параметров крепления с использованием высокопрочных композиционных материалов для строительства подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 2008. - №11 - С. 279-286.

3. Бауэр М.А. Влияние размера и состава заполнителя на свойства бетона // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - 2003. - Приложение №4. - С. 127-129.

4. Бауэр М.А. Моделирование напряженно-деформированного состояния крепи подземных сооружений в условиях изменяющейся прочности бетона// Известия высших учебных заведений Северо-Кавказский регион. Технические науки. -2006. - Приложение №12. - С. 62-65.

5. Дмитриенко В.А., Бауэр М.А. Проблемы строительства подземных сооружений в неустойчивых осадочных горных породах и пути их решения // Научно -технические проблемы разработки угольных месторождений, шахтного и подземного строительства: сб. науч. тр./ Шахтинский институт ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2005. - Т. 1. - С. 176-180.

6. Рублева О.И., Бауэр М.А. Новые технологии в строительстве// Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: сб. науч. тр. -Донецк: «Норд-пресс», 2006. - Вып. №12. - С. 96-97.

7. Дмитриенко В.А., Бауэр М.А., Казак О.Ю. Оценка точности определения пластической прочности коническим пластомером // Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород: материалы научно-практической конференции. - Луганск: Изд-во Восточноукраинского национального университета им. В. Даля, 2006. - С. 248-252.

8. Бауэр М.А. Исследование и выбор эффективной технологии с использованием высокопрочных композиционных материалов для крепления подземных сооружений в слабоустойчивых породах// Перспективы развития Восточного Донбасса. Ч. 1: сб. науч. тр./ Шахтинский институт (филиал) ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2007. - С. 278 - 282.

9. Бауэр М.А. Разработка технологии проведения и крепления подземных сооружений в малоустойчивых горных породах// Перспектива-2007: материалы Меж-дунар. конгресса студентов, аспирантов и молодых ученых. - Нальчик: Каб.-Балк. ун-т, 2007.-С. 8-10.

10. Бауэр М.А. Технология строительства подземных сооружений в слабоустойчивых горных породах короткими заходками с использованием модифицированных монолитных бетонных крепей// Проблемы и основные факторы развития топливно-энергетического комплекса Юга России: материалы научно-практической конференции в рамках III Южно-Российского форума «Энергоэффективная экономика»., 8 нояб. 2007 г., Ростов-на-Дону, ВЦ «Вертол Экспо»,- Ростов н/Д., 2007. - С. 33-35.

11. Бауэр М.А. Разработка технологической схемы строительства подземных сооружений короткими заходками в слабоустойчивых породах с применением модифицированных бетонных крепей// Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование. Т. 10: сб. тр. четвертой междунар. науч.-практ. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышлен-

ности», 02-05.10.2007, Санкт-Петербург, Россия. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2007. - С. 236-237.

12. Бауэр М.А. Выбор и оценка эффективной технологии строительства наклонных стволов шахты «Кадамовская»// Перспективы развития Восточного Донбасса. Ч. 1: сб. науч. тр./Шахтинский институт (филиал) ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2008. - С. 206-208.

13. Бауэр М.А. Определение максимальной величины заходки, не вызывающей обрушения, и выявление зон максимальных напряжений по мере удаления от забоя при строительстве подземных сооружений, закрепляемых модифицированными бетонами, в наносных породах// Перспективы развития Восточного Донбасса. Ч. 1: сб. науч. тр./Шахтинский институт (филиал) ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2009. - С. 198 -203.

14. Бауэр М.А. Экономическая эффективность строительства горизонтальных и наклонных выработок в неустойчивых наносных породах короткими заходка-ми// Перспектива-2010: материалы Между нар. науч. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов. -Нальчик: Каб.-Балк. Ун-т, 2010. - Т. V. - С. 212-215.

Бауэр Мария Александровна

ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОВЕДЕНИЯ

И КРЕПЛЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ В НЕУСТОЙЧИВЫХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИХ БЕТОНОВ

Подписано в печать 21.03.2011. Формат 60 84 1/16 Бумага офсетная. Печать цифровая Уел печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ№ 48-2450.

Отпечатано в ИД «Политехник» 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132 Тел., факс (863-5) 25-53-03

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Бауэр, Мария Александровна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОХОЖДЕНИЯ И КРЕПЛЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ В НЕУСТОЙЧИВЫХ ПОРОДАХ И НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Анализ современного состояния строительства подземных сооружений в наносных вмещающих породах.

1.2 Анализ современных исследований в области крепления подземных сооружений в неустойчивых породах.

1.2.1 Крепи подземных сооружений, проводимых в сложных горногеологических условиях.

1.2.2 Существующие технологии возведения монолитной бетонной крепи в подземных условиях и на земной поверхности.

1.3 Анализ современных исследований в области быстротвердеющих бетонов.

1.3.1 Требования к материалам для получения быстротвердеющих и высокопрочных бетонов.

1.3.2 Анализ современных способов управления кинетикой структурообразования бетонов ' на основе портландцемента.

1.3.3 Современные исследования влияния различных модификаторов на свойства бетонных смесей и бетонов.

1.3.4 Современные способы неразрушающего контроля прочности бетона.

1.4 Анализ современных методов оценки напряженно-деформированного состояния крепи подземных сооружений и проектирования ее параметров.

1.4.1 Требования СНиП по проектированию крепи подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях.

1.4.2 Анализ современных исследований в области оценки напряженно-деформированного состояния массива пород.

1.4.3 Анализ современных методик проектирования параметров крепления подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях.

Выводы к 1 главе.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИХ БЕТОНОВ.

2.1 Цель, задачи исследований и используемые материалы.

2.2 Методика проведения испытаний.

2.2.1 Стандартные методики проведения испытаний цементного теста и растворной смеси.

2.2.2 Специальные методики испытаний.

2.3 Исследование свойств иортландцементов и растворных смесей на их основе.

2.3.1 Исследование портландцементов.

2.3.2 Исследование кинетики структурообразования модифицированных растворных смесей.

2.3.3 Исследование комплексных добавок, с увеличенной долей ускорителей.

2.4 Исследование механических свойств модифицированных бетонов.

Выводы ко 2 главе.

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ НДС СИСТЕМЫ «КРЕПЬ-МАССИВ» С УЧЕТОМ ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОНОЛИТНОЙ БЕТОННОЙ КРЕПИ.

3.1 Общие сведения и постановка задачи

3.1.1 Особенности грунтового массива.

3.1.2 Выбор геомеханической модели массива грунта.

3.1.3 Выбор метода оценки НДС.

3.1.4 Постановка задачи.

3.1.5 Формирование моделей.

3.1.6 Граничные условия и заданные нагрузки при моделировании МКЭ.

3.2 Методика моделирования.

3.2.1 Цель и задачи моделирования.

3.2.2 Выбор параметров оптимизации.

3.2.3 Выбор управляемых факторов.

3.2.4 Выбор рационального плана моделирования.

3.2.5 Построение плана эксперимента.НО

3.2.6 Исследование влияния величины заходки на НДС массива и крепи.

3.2.7 Оценка эффективности применения быстротвердеющих бетонов в качестве крепления подземных сооружений проводимых в неустойчивых грунтах.

3.3 Реализация плана эксперимента.

3.3.1 Анализ напряженного состояния крепи и грунтового массива.

3.3.2 Анализ деформированного состояния грунтового массива.

3.4. Обработка результатов моделирования.

3.4.1 Выявление величин и локализации максимальных напряжений в крепи по мере удаления от забоя и набора прочности бетоном.

3.4.2 Определение времени снятия герметизирующего пневмоэлемента.

3.5 Разработка математических моделей определения максимальных напряжений в крепи.

3.5.1 Выведение уравнений множественной регрессии.

3.5.2 Оценка точности уравнений множественной регрессии.

3.5.3 Определение максимальной величины заходки.

3.5.4 Методика проектирования параметров проведения и крепления подземных сооружений в неустойчивых породах с использованием модифицированного быстротвердеющего бетона.

Выводы к 3 главе.

ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ В НЕУСТОЙЧИВЫХ ГРУНТАХ И ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА ВЫРАБОТОК КОРОТКИМИ ЗАХОДКАМИ.

4.1 Область применения технологии.

4.2 Технология производства работ.

4.3 Экономическая эффективность.

4.3.1 Расчет параметров проведения и крепления технологической части наклонного ствола.

4.3.2 Сравнение сметной стоимости и продолжительности строительства наклонного ствола с применением коротких заходок и с применением способа замораживания.

Выводы к 4 главе.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование оптимальных параметров проведения и крепления подземных сооружений в неустойчивых горных породах с использованием быстротвердеющих бетонов"

Специфические особенности наносных горных пород (малая прочность и большие смещения без нарушения сплошности массива) обуславливают, как правило, применение высокозатратных сплошных грузонесущих бетонных и железобетонных конструкций, возводимых после проходки с временной крепью. Зачастую для подземного строительства в сложных грунтовых условиях успешно применяется целый ряд специальных мероприятий для упрочнения I пород (замораживание, электрохимическое закрепление, струйный тампонаж) и щитовая проходка протяженных выработок. Однако при этом удельные затраты на строительство подземных сооружений небольшой протяженности до 100 м (устья наклонных стволов, врезки тоннелей различного назначения, подземные переходы, эскалаторные ходки, подземные коллекторы, вентиляционные и технологические сбойки перегонных тоннелей) существенно возрастают. Таким образом, совершенствование технологии строительства подземных сооружений в грунтовых массивах с низкими физико-механическими свойствами пород приобретает особую актуальность.

Снижения смещений пород и соответственно вероятности обрушения незакрепленного массива при строительстве выработок в грунтах можно добиться уменьшением величины заходки, но при условии . обеспечения достаточной несущей способности бетонной крепи, возводимой вслед за подвиганием забоя. Современные достижения в области быстротвердеющих бетонов позволяют получить требуемую СНиП минимальную прочность бетона, при которой можно вводить крепь в работу уже через сутки твердения. Однако при этом возникает необходимость знания закономерностей распределения напряжений в массиве и крепи с учетом изменяющихся во времени механических характеристик бетона.

Исходя из этого, автором исследуются условия строительства подземных сооружений в неустойчивых горных породах заходками менее 1 м, что позволит минимизировать пластические деформации контура выработки и исключить обрушения незакрепленного массива связных грунтов, а крепление быстротвердеющим монолитным бетоном сразу за обнажением пород обеспечит существенное снижение стоимости, продолжительности, трудоёмкости и материалоёмкости работ.

Диссертационная работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педашгические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, гос. контракт 14.740.11.0427 и госбюджетной темы: ПЗ - 846 «Разработать ресурсосберегающую технологию строительства предприятий».

Целью работы является обоснование оптимальных параметров проведения подземных сооружений в неустойчивых горных породах и крепления их модифицированными быстротвердеющими составами бетона, что исключает необходимость применения временной крепи, обеспечивая сокращение трудовых и финансовых затрат, а также сроков строительства.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе использован комплексный • метод, включающий: анализ существующих технологий строительства подземных сооружений в неустойчивых породах; методы определения свойств бетонных смесей и бетонов, получаемых на их основе; методы планирования эксперимента; методы теории вероятности, математической статистики и корреляционного анализа.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: представительным объемом данных, полученных в результате имитационного моделирования на ЭВМ, имеющих удовлетворительную сходимость с существующими аналитическими решениями, а также удовлетворением граничных условий;

- использованием современных программных средств и методики ч оптимального планирования расчетного эксперимента, обеспечивающих уровень достоверности регрессионных уравнений 0,75 - 0,98;

Научные положения, выносимые на защиту: • - устойчивое состояние незакрепленной призабойной части массива пород с коэффициентом сцепления 10—15 кПа и твердеющего бетона крепи, достигается путем уменьшения величины заходки до 0,3 — 0,7 м и введением оптимального количества модифицирующих добавок в состав, обеспечивающих увеличение скорости набора прочности бетона по сравнению с бездобавочным: через 12 часов твердения в 20 раз, а в суточном возрасте в 7 раз;

- напряженно-деформированное состояние монолитной бетонной крепи, возведенной вслед за подвиганием забоя, характеризуется увеличением максимальных сжимающих напряжений в 1,2 - 1,5 раза через 9-18 часов твердения бетона в боку на внутреннем контуре на расстоянии 0,9 - 2,8 м от забоя и зависит от величины горного давления, величины заходки, толщины крепи, сцепления грунта и изменяющихся во времени механических характеристик бетона; предельная величина заходки в установленном диапазоне 0,3 - 0,7 м определяется корреляционной зависимостью от прочности модифицированного бетона в раннем возрасте при сжатии и величины горного давления.

Научная новизна работы состоит в:

- теоретическом обосновании и разработке алгоритма расчета параметров проведения и крепления подземных сооружений: величины заходки, скорости подвигания забоя и толщины крепи.

Научное значение работы заключается в выявлении основных факторов, определяющих напряженно-деформированное состояние, и установлении зон и величин максимальных действующих напряжений в упрочняющейся во времени крепи подземных сооружений, возводимых в неустойчивых наносных породах, а также выявлении влияния различных модификаторов. на кинетику гидратации цементов и установлении роста механических характеристик модифицированных бетонов во времени.

Практическое значение работы заключается в:

- разработке методики контроля изменяющейся прочности твердеющей бетонной крепи, позволяющей,определить минимально возможную продолжительность проходческого цикла, при которой обеспечивается достаточный запас прочности крепи.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (2007 — 2009 г.г.); на научно-практической конференции «Проблемы и основные факторы развития топливно-энергетического комплекса юга России» в рамках 3-го Южно-Российского форума «Энергоэффективная экономика», 2007 г.; в ЮРГТУ (НПИ) на международной научно-технической конференции «Строительный факультет -100-летию университета»; на 1-й, 2-й, 3-й и 4-й международной научно-технической конференции ШИ (ф) ЮРГТУ (НПИ); на 4-ой международной научно-практической конференции" «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии», 2006 г.; на 4-ой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», 2007 г.; на техническом совете ОАО «Донуголь», 2010 г.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Бауэр, Мария Александровна

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1.Дмитриенко В.А., Бауэр М.А. К вопросу проектирования элементов опалубки при креплении горных выработок монолитным бетоном в сложных горно-геологических условиях // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 2007. - №2 - С. 254-259

2:Дмитриенко В.А., Бауэр М.А. Выбор эффективных параметров крепления с использованием высокопрочных композиционных материалов для строительства подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях // Горный'информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 2008.- №11 -С. 279-286

3.Бауэр М.А. Влияние размера и состава заполнителя на свойства бетона // Известия высших учебных заведений. Северо - Кавказский регион. Технические науки. - 2003. - Приложение №4. - С. 127-129

4.Бауэр М.А. Моделирование напряженно-деформированного состояния крепи подземных сооружений в условиях изменяющейся прочности бетона// Известия высших учебных заведений Северо - Кавказский регион. Технические науки. - 2006. - Приложение №12. - С. 62-65

5.Дмитриенко В.А., Бауэр М.А. Проблемы строительства подземных сооружений* в неустойчивых осадочных горных породах и пути их решения // Научно -технические проблемы разработки угольных месторождений, шахтного; и подземного строительства: сб. науч. тр./ Шахтинскии институт ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2005. - Т. Д. - С. 176-180

6.Рублева О.И., Бауэр М.А. Новые технологии в строительстве// Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: сб. науч. тр. - Донецк:«Норд-пресс»,.2006. - Вып. №12. - С. 96-97

7.Дмитриенко В.А., Бауэр М.А., Казак О.Ю: Оценка точности определения пластической, прочности коническим пластомером // Проблемы подземного строительства и направления развития-тампонажа и закрепления горных пород: материалы научно-практической конференции. - Луганск: Изд-во Восточноукраинского национального университета им. В; Даля, 2006. - С. 248252'

Восточного Донбасса. Ч. 1: сб. науч. тр./ Шахтинский институт (филиал) ЮРГТУ (НПИ). -Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2007. - С. 278 - 282

9.Бауэр М.А. Разработка технологии проведения и крепления подземных сооружений в малоустойчивых горных породах// Перспектива-2007: материалы Междунар. конгресса студентов, аспирантов и молодых ученых. - Нальчик: Каб.-Балк. ун-т, 2007. - С. 8-10

11. Бауэр; М.А. Разработка технологической схемы строительства подземных сооружений короткими заходками в слабоустойчивых породах с применением модифицированных бетонных, крепей// Высокие технологии,, фундаментальные и прикладные исследования^ образование. Т. 10: сб. тр. четвертой междунар. науч.-практ. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий" в промышленности», 02-05.10.2007, Санкт-Петербург, Россия. - СПб.: Изд-во Политехи. ун-та, 2007. - С. 236-237

12. Бауэр М:А. Выбор и оценка эффективной технологии строительства наклонных стволов шахты «Кадамовская»// Перспективы развития Восточного Донбасса. Ч. 1: сб. науч. тр./Шахтинский институт, (филиал) ЮРГТУ (НПИ). -Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2008. - С. 206-208

13. Бауэр М.А. Определение максимальной величины заходки, не вызывающей обрушения, и выявление зон максимальных напряжений по мере удаления, от забоя при строительстве подземных сооружений, закрепляемых модифицированными бетонами; в наносных породах// Перспективы развития

Восточного Донбасса. Ч. 1: сб. науч. тр./Шахтинский институт (филиал) ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2009. - С. 198 -203

14. Бауэр М.А. Экономическая эффективность строительства горизонтальных и наклонных выработок в неустойчивых наносных породах короткими заходками// Перспектива-2010: материалы Междунар. науч. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов. — Нальчик: Каб.-Балк. Ун-т, 2010. - Т. V.-С. 212-215

184

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

4. Установлено, что уменьшение величины заходки с 1 м до 0,3 м снижает размер зоны пластических деформаций в 1,7 раза, а максимальные смещения контура вмещающих пород с коэффициентом сцепления 10-15 кПа в 1,6 раза.

5. Разработаны эффективные составы модифицированных бетонов, обеспечивающие увеличение прочности бетона через 12 часов твердения в 20 раз, а в суточном возрасте в 7 раз по сравнению с бездобавочными.

6. Моделированием МКЭ напряженно-деформированного состояния незакрепленной призабойной части массива пород и твердеющего бетона монолитной крепи, возведенной вслед за подвиганием забоя, установлено увеличение максимальных сжимающих напряжений в 1,2 - 1,5 раза через 9-18 часов твердения бетона в боку на внутреннем контуре на расстоянии 0,9 - 2,8 м от забоя.

7. Выявлено, что величина максимальных напряжений зависит от величины горного давления, величины заходки, толщины крепи, сцепления грунта, установленной зависимости изменения во времени механических характеристик модифицированного бетона и определяется по регрессионным уравнениям (3.4 - 3.10), полученным в результате реализации плана расчетного эксперимента.

8. Разработана технология проведения и крепления подземных сооружений в неустойчивых породах короткими заходками.

9. Обеспечено качественное крепление, выполняемое по разработанной технологии, путем использования сборно-разборной опалубки и пневматического герметизатора.

10. Контроль устойчивого состояния бетона за опалубкой и время снятия герметизатора можно осуществлять по установленной зависимости предела текучести при сдвиге от пластической прочности раствора в бетоне.

11. На основании установленных закономерностей и зависимостей разработана методика проектирования параметров проведения и крепления подземного сооружения по предлагаемой технологии.

12. Выявлен значительный экономический эффект применения технологии строительства подземных сооружений короткими заходками в неустойчивых породах по сравнению с применением специального способа.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Бауэр, Мария Александровна, Новочеркасск

1. Sarkar Shendeep L. Microstrukture of a very low water/cement silica fume concrete //Microscope -1990. -V38. -№2. -pp. 141-152

2. Александров B.T., Касьяненко Т.Г. Ценообразование в строительстве СПб.: Питер, 2000. - 256 с.

3. Арзуманов А. С. Возведение конструкций с применением пневмо-опалубки: теория и технология. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1990. - 152 с.

4. Афанасьев Н.Ф., Целуйко М.К. Добавки в бетоны и растворы. К.: Будивэльник, 1989. - 128 с.

5. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкции крепей. Учебник для вузов. М.: Недра, 1984. - 415 с.

6. Блохин И.Г., С.Д. Сокова Разрядно-импульсная- технология в строительстве // Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века. 2005. №5. С. 64

7. Бондарь А.Г., Стаюха Г.А., Потяженко И.А. Планирование эксперимента при оптимизации процессов химической технологии Киев: Вища школа, 1980. - 262 с.

8. Булычев Н.С., Фотиева H.H., Стрельцов Е.В. Проектирование и расчет крепи капитальных выработок. М.: Недра, 1986. - 288 с.

9. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах. Учебное пособие для вузов. М.: Недра, 1989. - 270 с.

10. Горев В.В. Математическое моделирование при расчетах и исследованиях строительных конструкций: Учеб. Пособие. М.: Высшая школа, 2002. - 206 с.

11. Горский В.Г., Адлер Ю.П., Талалай А.М. Планирование промышленных экспериментов. М.: Металлургия, 1978. - 112 с.

12. ГОСТ 10178 Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия.- М.: Изд-во стандартов, 1985. 6 с.

13. ГОСТ 10180-90 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.- М.: Изд-во стандартов, 1991. 35 с.

14. ГОСТ 10181-2000 Смеси бетонные. Методы испытаний.- М.: Изд-во стандартов, 2000. 18 с.

15. ГОСТ 22685-89 Формы для изготовления контольных образцов бетона. Технические условия.- М.: Изд-во стандартов, 1990. 10 с.

16. ГОСТ 23732-79 Вода для бетонов и растворов. Технические условия.- Ы'.: Изд-во стандартов, 1979. 3 с.

17. ГОСТ 24211-2003 Добавки для бетонов и растворов. Общие технические условия.- М.: Изд-во стандартов, 2003. 11 с.

18. ГОСТ 24452-80 Бетоны. Методы- определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона.- М.: Изд-во стандартов, 1980. -13 с.

19. ГОСТ 30459-96. Добавки для бетонов. Методы определения эффективности.- М.: Изд-во стандартов, 1998. 20 с.

20. ГОСТ 310.4-81 Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии.- М.: Изд-во стандартов, 1981. 11 с.

21. ГОСТ 31108-2003 Цементы общестроительные. Технические условия.- М.: Изд-во стандартов, 2003. 14 с.

22. ГОСТ 5802-86 Растворы строительные. Методы испытаний.- М.: Изд-во стандартов, 1985. 18 с.

23. ГОСТ 8267-93 Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия.- М.: Изд-во стандартов, 1994. 11 с.

24. ГОСТ 8736-93 Песок для строительных работ. Технические условия.- М.: Изд-во стандартов, 1994. 7 с.

25. Губайдуллин Г.А. Приборный комплекс оперативного контроля прочности бетона. В мире НК. 2002. №2(16). С. 21-22

26. Гулунов A.B. Методы и средства НК бетона и железобетонных изделий. В мире НК. 2002. -№2(16). С. 24-25

27. Дворкин O.JI. Эффективность химических добавок в бетонах // Бетон и железобетон. 2003. -№4. С. 23-24

28. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. М.: Физматгиз, 1967. - 368 с.

29. Добролюбов Г.А., Ратинов В.Б., Розенберг Т.И. Прогнозирование долговечности бетона с добавками. М.: Стройиздат, 1983. - 212 с.

30. Ерофеев JI.M., Мирошникова JI.A. Повышение надежности крепи горных выработок. М.: Недра, 1988. - 245 с.

31. Заславский Ю.З., Киндур В.П., Лопухин Е.А. и др. Бетонная крепь, технология и механизация ее возведения. Донецк, Донбасс, 1973 - 184 с.

32. Заславский Ю.З., Дружко Е.Б. Новые виды крепи горных выработок. М.: Недра, 1989. - 256 с.

33. Зедгинидзе И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем М.: Наука, 1976. - 390 с.

34. Иванов Ф.М., Рулева В.В. Высокоподвижные бетонные смеси // Бетон и железобетон. 1976 №8. - С. 40-42

35. Иванов Ф.М., Савина Ю.А., Горбунов В.Н., Продувалова С.С., Лазутина Т.П. Эффективные разжижители бетонных смесей // Бетон и железобетон. 1977. №7. - С. 11-13

36. Каретников В.Н., Клейменов В.Б., Нуждихин А.Г. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. Справочник. М.: Недра, 1989.-571 с.

37. Касторных Л.И. Добавки в бетоны и строительные растворы. Учебно-справочное пособие. Ростов н/Д.: Феникс, 2005. - 221 с.

38. Комохов П.Г., доктор техн. наук, проф., академик РААСН Наукоемкая технология конструкционного бетона как композиционного материала. Часть 1 //Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. — 2002. -№4. С. 37-37

39. Корнеев В.И. О механизмах действия функциональных добавок при гидратации и твердении сухих строительных смесей // Batimix 2003 : Список докладов. — С. Петербург, 2003

40. Королев И.О., Шуплик М.Н. Влияние тепловой инерции на развитие ледогрунтовых ограждений / Строительство шахт, рудников и подземных сооружений: Межвуз. науч. темат. сб. Свердловск: Свердловский горный институт, Л 987. 96 с.

41. Косков И.Г. Новые материалы и конструкции крепи горных выработок. 2-е изд., перераб. И доп. - М.: Недра, 1987. - 196 с.

42. Костюченко В.В., Крюков K.M., Кожухар В.М. Организация оплаты труда и сметное дело в строительстве/ Изд. 2-е доп. и перераб.: учеб. Пособие/Под ред. В.В. Костюченко. Ростов н/Д: Феникс, 2005. 256 с.

43. Максимов А.П. Горное давление и крепь выработок. М.: Недра, 1973. 288 с.

44. Механика грунтов 4.1. Основы геотехники в строительстве: Учебник/ Авторы: Далматов Б.И., Бронин В.Н., Карлов В.Д. и др. М.: Изд-во АСВ; СПб.: СпбГА-СУ, 2000. - 204 с.

45. Монтгомери Д.К. Планирование эксперимента и анализ данных -Л.: Судостроение, 1980. 384 с.

46. Насонов И.Д., Шуплик М.Н., Ресин В.И. Исследование параметров замораживания при проведении горизонтальных выработок. М.: Недра, 1980.248 с.

47. Несветаев Г.В., Виноградова Е.В. Перспективы получения сверхбы-стротвердеющих бетонов// Бетон и железобетон в третьем тысячелетии: Материалы 3-й межд. конф. Ростов-на-Дону, 2004. - С. 269 - 274

48. Никифоров А. Добавки для бетона. Состояние и перспективы // Капстроительтво. 2002 . №5. С. 13-14

49. Орлов В.В., Гудзь А.Г. Сборник примеров и задач по механике горных пород и крепи. М.: Госгортехиздат, 1961. 213 с.

50. Покровская Н.М. Опалубка в строительстве // Строительство и реконструкция. 2003 (№ 3) . С. 14

51. Покровский Н.М. Комплексы подземных горных выработок и сооружений: учебн. пособ. Для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1987. - 248 с.

52. Помазкин В.А. Физическая активация воды затворения бетонных смесей // Строительные материалы. 2003 . №2 приложение. С. 14-16

53. Помазкин В.А., Малаева A.A., Опыт использования электроактивированной воды для затворения бетонных смесей. // Бетон и железобетон. 2002. №2.-С. 13-15

54. Попов Л.В., Каретников В.Н., Еганов В.М. Расчет крепи подготовительных выработок на ЭВМ: М., «Недра», 1978, 230 с.

55. Пособие по применению химических добавок при производстве сборных железобетонных конструкций и изделий (к СНиП 3.09.01-85)/ НИ-ИЖБ.-.: Стройиздат, 1989. 39 с.

56. Протодьяконов М.М., Тедер Р.И. Методика рационального планирования эксперимента — М.: Недра, 1970. 76 с.

57. Пустовгар А.П. Эффективность применения современных суперпластификаторов в сухих строительных смесях // "MixBuild": Список докладов. С. Перербург, 2002

58. Рамачандран B.C., Фельдман Р.Ф., Бодуэн Дж. Наука о бетоне. М.: Стройиздат, 1986. 278 с.

59. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. Учебник для вузов 4-е изд., перераб. И доп. - М.: Недра, 1984. - 359 с.

60. Роменский A.A. Боярер А.Г. Исследование процесса разрушения пород при проходке стволов способом замораживания / Строительство шахт, рудников и подземных сооружений: Межвуз. науч. темат. сб. Свердловск: Свердловский горный институт, 1987. - 96 с.

61. СНиП II 94 - 80 Подземные горные выработки. Расчет устойчивости пород и нагрузок на крепь, выбор типа крепи.- М.: Изд-во стандартов, 1980. -37 с.

62. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1985.-271 с.

63. Строительство шахт, рудников и подземных сооружений: Межвуз. Науч. Темат. Сб./ Редкол.: Щукина A.C., Горбунов Б.Ф. и др. Свердловск: Свердловский горный институт, 1987. - 96 с.

64. Тейлор X. Химия цемента, М., Мир; 1996.-560 с.

65. Тер-Мартиросян З.Г. Механика, грунтов/ Учебное пособие. М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2005. - 488 с.

66. Трупак Н.Г. Специальные способы проведения горных выработок. Изд. 3., перераб. М.: «Недра», 1976, 376 с.

67. Ухов С.Б., Семенов В.В., Знаменский В.В., Тер-Мартиросян З.Г., Чернышев С.Н. Механика грунтов, основания и фундаменты. Учебн. пособ. Для строит. Спец. вузов. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 2002. - 566 с.

68. Ушеров-Маршак A.B., Бабаевская T.B. Методологические аспекты современной технологии бетона. // Бетон и железобетон. 2002. №1. - С. 5-7

69. Хечумов P.A., Кепплер X.*, Прокопьев В.И. Применение метода конечных элементов к расчету конструкций: учебн. пособ. Для технич. вузов. — М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 1994. 353 с.

70. Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими методами. -М.: Мир, 1973.-957 с.

71. Хьюстон А. Дисперсионный анализ. -М.: Статистика, 1971. 88 с.

72. Цытович H.A. Механика грунтов: краткий курс: учебник. Изд-е 4-е М.: Издательство ЛКИ, 2008. - 272 с.

73. Чмель Г.В. Модифицирование расширяющихся вяжущих веществ с целью управления собственными деформациями и прочность бетонов // Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Ростов-на-Дону - 2004

74. Шашенко А.Н., Пустовойтенко В.П. Механика горных пород: учебник для вузов К.: Новий друк, 2004. — 400 с.

75. Шеффе Г. Дисперсионный анализ. М.: Статистика, 1963. - 628 с.

76. Штенгель В.Г. О методах и средствах НК для обследования эксплуатируемых железобетонных конструкций. В мире НК. 2002. №2(16). С. 1215

77. Экономика строительства: учебник под общ. Ред. И.С. Степанова. -3-е изд., доп., перераб. М. : Юрайт-Издат, 2007. - 620 с.1. Интернет-ресурсы:

78. Баженов Ю.М. «Новые эффективные бетоны и технологии» http:// www.gvozdik.ru

79. Бетон с содержанием кремнезема. Часть 1: Материал Д.Дж. Паркер, Concrete Society, Current Practice Sheet No 104, октябрь 1985, http://www.e-concrete.ru

Информация о работе

Бауэр, Мария Александровна
кандидата технических наук
Новочеркасск, 2011
ВАК 25.00.22

Диссертация

Обоснование оптимальных параметров проведения и крепления подземных сооружений в неустойчивых горных породах с использованием быстротвердеющих бетонов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы