Обоснование схем раскрытия забоя и выбор крепи выработок большого сечения в геологических условиях Вьетнама

Чан Туан Минь

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование схем раскрытия забоя и выбор крепи выработок большого сечения в геологических условиях Вьетнама
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование схем раскрытия забоя и выбор крепи выработок большого сечения в геологических условиях Вьетнама"

На правах рукописи

ЧАН ТУАН МИНЬ

ОБОСНОВАНИЕ СХЕМ РАСКРЫТИЯ ЗАБОЯ И ВЫБОР КРЕПИ ВЫРАБОТОК БОЛЬШОГО СЕЧЕНИЯ В ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ВЬЕТНАМА

Специальности: 25.00.22. Геотехнология (подземная, открытая и строительная), 25.00.20. Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 1 ноя 2013

Москва 2013

005539676

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» на кафедре «Строительство подземных сооружений и шахт»

Научный руководитель

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор ПАНКРАТЕНКО Александр Никитович

доктор технических наук, профессор Савич Игорь Николаевич, профессор кафедры «Технология подземной разработки рудных и нерудных месторождений» ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»;

кандидат технических наук

Воронина Ирина Юрьевна, доцент кафедры «Механики материалов» ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»;

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет» (г. Кемерово).

Защита состоится 05 декабря 2013 года в 13°° час. на заседании диссертационного совета Д-212.128.05 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, д. 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета (МГГУ)

Автореферат разослан « ^ » 2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета^ доктор технических наук

МЕЛЬНИК В.В.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

В настоящее время во всем мире, в том числе и во Вьетнаме, широко применяют выработки большого сечения. Такие выработки встречаются в сложных подземных комплексах, например, при строительстве подземных гидроэлектростанций, подземных атомных станций, военных и промышленных объектов специального назначения, а также транспортных автодорожных и железнодорожных тоннелей. Под термином выработки большого сечения (ВБПС) следует понимать выработки, пролет которых больше б м.

В настоящее время во Вьетнаме бурными темпами развивается гидротехническое строительство, поскольку развитие экономики страны напрямую зависит от объема производства электроэнергии. Сегодня в СРВ вырабатывается порядка 130 млрд. кВт.ч электроэнергии в год, но уже к 2025 г. общее производство электроэнергии должно увеличиться до 194 н- 210 млрд кВт.ч, а к 2035 г. - до 330 -н 362 млрд кВт.ч. Причем основной прирост электроэнергии будет происходить за счет введения в строй новых подземных атомных электростанций и гидроэлектростанций с подземной деривацией.

Кроме того, сегодня весьма актуально для Вьетнама освоение подземного пространства крупных городов-мегаполисов и прежде всего Хо-Ши-Мина и Ханоя. Уже в ближайшем будущем планируется начать строительство в этих городах линий метрополитена, а также возведение комплекса подземных гаражей и других социальных объектов, включающих в себя выработки большого сечения, в том числе и большепролетные.

Также правительство Вьетнама уделяет пристальное внимание развитию авто- и железнодорожной сети. В условиях гористой и насыщенной реками местности, что особенно .характерно для СРВ, возникает необходимость в строительстве большого количества подземных и подводных тоннелей.

Основное количество подземных комплексов, а также транспортных и гидротехнических тоннелей будет сооружаться в породах средней крепости и в слабых неустойчивых породах с коэффициентом крепости пород (У= 2 * 5),

причем на долю выработок с пролетом более 6 м приходится порядка 21%, а выработок с пролетом более 15 м- около 15% всей протяженности выработок.

Как известно, при строительстве выработок большого сечения в зависимости от физико-механических свойств горных пород и проявления горного давления применяют разные схемы раскрытия поперечного сечения, но особенно часто используют уступный способ или способ раскрытия забоя сразу на полное сечение.

В последние годы в мировой практике подземного строительства выработок большого сечения преобладают поэтапные схемы раскрытия забоя, которые позволяют повысить устойчивость пород вмещающего массива и скорость проходки. Особенно часто их применяют при проходке выработок большого сечения в средних и слабых породах. Однако выбор соответствующей схемы раскрытия забоя является весьма сложной задачей потому, что надо правильно определить прежде всего число забоев и соответственно их площадь, а также правильно подобрать параметры временной крепи и расстояние между опережающим и отстающим забоями. В настоящее время с развитием компьютерной техники можно решать такие задачи, используя численные методы расчета, и достаточно надежно определять напряжения и перемещения на контуре выработок большого сечения в зависимости от схемы раскрытия ее забоя.

Таким образом, выбор и обоснование схем раскрытия забоя и крепи выработок большого сечения для условий Вьетнама, позволяющих увеличить темпы и снизить стоимость производства работ, является важной и актуальной для народного хозяйства научной проблемой.

Цель работы состоит в установлении закономерностей влияния схем раскрытия забоя на формирование смещений контура выработок большого сечения для обоснования конструкции крепи, обеспечивающей сокращение затрат и сроков строительства.

Идея работы состоит в учете закономерностей изменения перемещений контура выработок большого сечения в зависимости от схемы раскрытия ее забоя для обоснования параметров конструкции крепи.

Задачи исследований:

- установить закономерности влияния схемы раскрытия забоя на формирование перемещений породного массива на контуре выработок большого сечения в горно-геологических условиях Вьетнама;

- установить зависимость формирования нагрузки на крепь выработок большого сечения при поэтапной схеме раскрытия забоя от геометрических параметров опережающего и проектного забоев;

- определить эффективные параметры комбинированной крепи (длину анкеров и толщину набрызгбетона) при использовании поэтапной схемы раскрытия забоя.

Методы исследования:

анализ литературных источников; аналитические исследования перемещений массива пород при различных схемах раскрытия забоя; математическое моделирование с использованием программы РНАБЕ 2; натурные замеры на экпериментальных участках тоннелей; сравнение, анализ и обобщение всех полученных результатов для конкретных выработок подземного комплекса ГЭС Хуой Куанга во Вьетнаме.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- установлено, что схема раскрытия забоя влияет не только на уровень напряженно-деформированного состояния пород вокруг контура выработки, но и на характер распределения перемещений по проектному контуру выработки большого сечения. Причем при поэтапной схеме раскрытия забоя перемещения в своде проектной выработки будут всегда меньше на (6 -=- 15)%, чем при проходке этих выработок сплошным забоем;

.- установлено, что при проведении выработок большого сечения способом бокового уступа всегда существует оптимальное соотношение между пролетом

опережающего забоя и проектной выработки, при котором перемещения в своде проектной выработки будут минимальными;

- установлено, что при проведении выработок большого сечения способом нижнего уступа перемещения на ее проектном контуре будут всегда меньше чем при проведении этих выработок на полный профиль, при этом оптимальной конструкцией крепи является комбинированная крепь из анкеров и набрызгбетона, которая в дальнейшем остается элементом постоянной конструкции крепи.

Научная новизна работы заключается в установлении закономерностей формирования напряжений и перемещений вокруг контура выработок большого сечения в зависимости от схемы раскрытия ее забоя.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей влияния различных схем раскрытия забоя на напряжения и перемещения пород вокруг контура проектной выработки для обоснования параметров конструкции крепи.

Практическая значимость работы состоит в разработке рекомендаций по выбору схемы раскрытия забоя при проходке транспортного тоннеля №1 и подземного машинного зала гидроэлектростанции Хуой Куанга Вьетнама, что позволяет сократить время и стоимость проходки таких выработок.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международной конференции в ОПТУ (апреляь, 2011 г.), международной конференции в ТУЛГУ (сентябрь, 2012 г.), международной конференции «Прогресс в разработке месторождений и строительстве подземных сооружений (the 2nd - advance in mining and tunneling)» в Ханойском горногеологическом университете (август, 2012 г.) на международном симпозиуме «Неделя горняка» (МГГУ, январь, 2013 г.), а также на научных семинарах кафедры СПСиШ МГГУ (2011 - 2013 г.).

Публикация. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 2 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России и 3 публикации на международных конференциях.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения и приложения, содержит 87 рисунков, 33 таблицы, список литературы из 110 наименований.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю проф., докт.техн. наук А. Н. Панкратенко, а также проф., докт.техн. наук Б.А. Картозия за ценные замечания в процессе обсуждения и написания работы. Автор также признателен заведующему кафедрой проф., докт.техн. наук A.B. Корчаку и всем преподавателям кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» за их внимание и интерес к данной работе и высказанные полезные замечания во время ее написания.

Основное содержание работы

Проведенный анализ состояния и перспектив строительства сложных подземных комплексов, включающих выработки большого сечения, строящихся во многих странах мира, в том числе и во Вьетнаме, показывает тенденцию использовать подземное пространство в различных областях народного хозяйства. Выработки большого сечения применяют не только при строительстве специфических сложных подземных сооружений типа машинный зал подземных атомных и гидроэлектространций, станционных тоннелей, метрополитенов, но и для размещения под землей различных промышленных, гражданских и культурно-развлекательных комплексов.

Подробный анализ предстоящих объемов подземного строительства во Вьетнаме показывает, что значительную долю выработок будут составлять выработки площадью поперечного сечения более 60 м2, а общая протяженность этих выработок более 30 км. Это, например, транспортные тоннели, выработки гидро- и атомных электростанций, а также тоннели метрополитена. Большинство подземных комплексов во Вьетнаме будут построены в породах средней крепости и слабоустойчивых (табл.1).

Таблица 1

Свойства массива пород в некоторых областях Вьетнама [108,110]

Показатели ХаНой Хо-Ши-Минь Машинный зал ГЭС Хуой Куанга Машинный зал ГЭС Зао Куаня Машинный зал ГЭС Кыа Дата

Объемный вес у, МН/м3 0,0180,025 0,0180,022 0,023 -0,026 0,022 -0,023 0,021 -0,025

Коэффициент крепости пород/ 2-М 2-4 3-6 2-5 3-6

Рейтинг КМЕ1 30 МО 25-40 40-60 35-50 35-50

Рейтинг ЯСЮ 35-50 25-50 40+60 25-50 40-60

Угол внутреннего трения ф, град 13-18 12-16 18-20 15 - 18 16-20

Коэффициент сцепления с, МПа 0,01-0,15 0,01 -0,15 0,05-0,80 0,05 - 0,20 0,05 - 0,60

Коэффициент Пуассона ц 0,25-0,35 0,30 - 0,35 0,26 - 0,32 0,32 - 0,45 0,26 - 0,30

Анализ геологических условий показывает, что порядка 40 - 60% выработок большого сечения будут построены в породах слабоустойчивых.

В зависимости от прочности вмещающих пород, а также формы и размеров поперечного сечения выработки выбирают соответственно схему раскрытия ее забоя и оборудование для разработки пород и возведения крепи.

В диссертационной работе для обоснования эффективной схемы раскрытия забоя выработок большого сечения, а также для определения параметров технологии ее строительства автор исследовал схемы раскрытия забоя этих выработок на полный профиль, двумя и тремя уступами с одновременной организацией работ в опережающем и отстающих забоях.

Над решением подобных задач работали такие признанные российские ученые, как: ЕМ. Покровский, В.М. Мостков, В.П. Волков, К.В. Руппенейг, И.В. Баклашов, К.П. Безродный, Ф.А. Белаенко, М.Н. Белкин, Ю.З. Заславский, Е.Б. Дружко, Е.И. Шемякин, Е.А. Котенко, Б.А. Картозия, М.Н. Шуплик, Н.С. Булычев, Н.Н. Фотиева, А.Г. Протосеня, Ю.К. Зарецкий, С.А. Юфин, В.М. Кононов, В.П. Конухин, В.Е. Боликов, Ю.А. Савин, Л.В. Маковский, О.Н.

Золотов, B.K. Ксенофонтов, A.B. Количко, Н.С. Четыркин, E.H. Курбацкий, В.П. Сычев, А.Н. Панкратенко, В.А. Пшеничный, И.Н. Савич, A.C. Самаль, П.Т. Деев, а также зарубежные Hoek Е, Brown Е, Käroly Szechy, Barton N, Dimitrios Kolymbas, Brady E, Bhawani Singh, Koväri, Nilsen B, Borch, Nguyen Xuan Man, Vo Trong Hung, Nguyen Quang Phich и другие.

На первом этапе в работе были проведены исследования по оценке напряжений и перемещений слабых неустойчивых пород вокруг выработки круглой формы, пройденной в два этапа, т.е. когда по центру проектной выработки вначале проходят выработку радиусом го, а затем ее расширяют до проектного контура Г]. Расчетная схема приведена на рис. 1.

Рис 1. Расчетная схема при проходке выработки в два этапа

Напряжения и перемещении пород вокруг проектной выработки могут быть определены по следующим выражениям:

О)

{q + c-tg(p\-\ -с-ctgtp

\q + c-ctgtp\ — -с-ctgtp

2G-r. ■г

„(l — sin g?)—c(cos tp - ctgtp)

q + с ■ ctgtp

t.-ii . с-cos® sin<p +-

(2)

(3)

где

Кр - коэффициент горизонтального давления; ч - реакция крепи, МПа; с -коэффициент сцепления, МПа; ср - угол внутреннего трения, град; г0 - радиус

опережающей выработки; о„ - значение начального поля напряжений, МПа; в -модуль сдвига, МПа.

На втором этапе были проведены исследования по оценке напряжений и перемещений пород вокруг выработок сводчатой формы, сооружаемых способом нижнего уступа (рис. 2). В этом случае, как известно, вначале проходят калотту, а затем штроссу. Мы же рекомендуем вначале в капотте пройти выработку круглой формы поперечного сечения, а затем уже раскрыть саму каллоту и только потом приступить к разработке штроссы (рис. 2).

Этап 3: а".. сг"е Зн

Рис. 2. Расчетная схема для определения напряжений и переметений вокруг выработки сводчатой формы, сооружаемой способом нижнего уступа,

где г0 - радиус опережающего забоя в калотте; аг, о0 - радиальное и горизонтальное напряжение вокруг калотты; иг - перемещение на контуре калотты; о'г, ст'е - радиальное и горизонтальное напряжение в своде проектной выработки после раскрытия калотты; и\ - перемещение в своде проектной выработки после раскрытия калотты; 8СВ - площадь верхнего уступа; о"г, с"е -радиальное и горизонтальное напряжения в своде проектной выработки после раскрытия штроссы; и"г - перемещение в своде проектной выработки после раскрытия штроссы; 8В - площадь поперечного сечения проектной выработки; Нпр - высота проектной выработки; Ь - высота нижнего уступа.

В случае если в опережающем забое радиусом г0 существует крепь (реакция крепи я), тогда напряжения и перемещения после раскрытия калотты могут быть определены по выражениям

о-: = к.

\го

"1=344К^-г^ + КгЬ + с-авгЩ ' -с-сър;

■■К.

сг„ (1 - 5Ш д>) - с(соз ф -

д + с• с^ср

яш^н--

■соб^Л г,2

(4)

(5)

(6)

где при 80 = 8СВ, стг = ст'г; сте = ст'0 и иг = и'„ и Кг = К0 = К9 = 0.

"При разработке нижнего уступа напряжения и перемещения в своде проектной выработки можно определить с учетом изменившегося поля напряжений от первого этапа проходки по выражениям:

а" =(д +с-щ<р)

2г

-ССХ%<р\

СГ„ (1 — БШ <р) - с(ссв (р - С1£/р) д + с ■ сЩ<р

(7)

(8) (9)

' I 26-4г где Бус - площадь нижнего уступа.

С учетом полученных выражений для оценки напряжений и перемещений пород вокруг выработок большого сечения при поэтапной схеме раскрытия забоя было проведено математическое моделирование с использованием программы РНАБЕ 2, основанной на методе конечных элементов.

Также были проведены исследования влияния места расположения опережающего забоя и отношения между радиусом опережающей г0 и проектной выработки Г1 (гГ)/г)) на устойчивость пород вокруг контура проектной выработки круглой формы. Исходные данные для расчета были следующими: объемный вес пород у = 0,022 МН/м3; прочность на растяжение араст = 0,01 МПа; коэффициент сцепления с = 0,05 МПа; коэффициент крепости пород по шкале М.М. Протодьяконова /= (2 4); угол внутреннего трения <р = 15°; модуль упругости пород Е = 1200 МПа; коэффициент Пуассона |1 = (0,3 0,5);

радиус проектной выработки Г] принимался соответственно г, = 2,5; 5,0; 7,5; Юм; коэффициент начального поля напряжений К = а3/ст| = 0,5; глубина заложения выработки Н = 50 м. На основании расчетов были построены графики зависимости суммарных перемещений вокруг контура проектной выработки от радиуса опережающего забоя (рис. 3). Эти графики показывают, что размеры поперечного сечения опережающего забоя и проектного сечения оказывают влияние на перемещения пород на контуре проектной выработки.

£ 0.002 -

<-> !i! ill Ii!

0.000 -I-1-i-1--1-i-1--i-1-1

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0

Радиус опережаюшрй выработки r0, м

Рис 3. Графики зависимости между радиусом опережающего забоя и перемещением на контуре проектной выработки круглой формы

Анализ этих графиков также говорит о том, что при проходке выработок круглой формы поперечного сечения в два этапа и выполнении условий га < Го < Г| (где га- эффективной радиус опережающей выработки) перемещения на проектном контуре будут меньше, чем при проходке сплошным забоем, причем всегда можно установить оптимальное соотношение между радиусом опережающего забоя (г0) и радиусом проектной выработки (г,), при котором напряжения и перемещения на контуре проектной выработки будут минимальными. В нашем случае для тех же принятых исходных данных были проведены расчеты с использованием программы PHASE 2 и на основании этих расчетов получены следующие результаты (табл. 2).

Таблица 2

Результаты расчетов по программе PHASE 2

№ Радиус Оптимальный Оптимальное Эффективный Максимальное

проектной радиус соотношение радиус суммарное

выработки опережающей Го/Г] опережающей перемещение

г, (м) выработки г0 выработки г„ уменьшается

(м) (м) (%)

1 2,5 2 0,8 1 < г„ < 2,5 10,58

2 5 3 0,6 1 < га < 5 9,72

3 7,5 3 0,4 2 < га < 7 5,88

4 10 3 0,3 2 <га< 10 5,88

Анализ результатов показывает, что при соотношении между радиусом опережающего забоя (го) и радиусом проектной выработки (г^) Го/Г| = 0,8 (если г, = 2,5 м); Г()/Г| = 0,6 (если г1 = 5 м); г</г1 = 0,4 (если г( = 7,5 м) и г</г1 = 0,3 (если Г| = 10 м) перемещения на контуре проектной выработки будут минимальными,-

Кроме того, в работе проведены исследования по определению оптимального места расположения опережающего забоя в сечении проектной выработки. Полученные результаты показали, что если опережающий забой расположен в центре проектной выработки круглой формы, то напряжения и перемещения на ее контуре будут минимальными.

Такие же исследования были проведены для выработок сводчатого поперечного сечения, сооружаемых в два этапа. Результаты расчетов показали, что напряжения и перемещения на контуре проектной выработки будут минимальными, если опережающий забой будет расположен на вертикальной оси проектной выработки на высоте (1/3 1/2)Нпр (где Н„р - высота проектной выработки).

С более сложной задачей при строительстве выработок большого сечения приходится сталкиваться проектировщикам и строителям, когда речь идет о большепролетных выработках, т.е выработках, у которых пролет значительно превышает ее высоту. Поэтому в работе были проведены исследования по

оценке влияния схемы раскрытия поперечного сечения большепролетных выработок, т.е когда пролет выработки больше 15 м (рис. 4).

А) Б) В) Г) Д)

Рис. 4. Схемы раскрытия забоя большепролетной выработки

Для исследования влияния схемы раскрытия забоя таких выработок на напряжения и перемещения вмещающих пород были приняты следующие исходные данные: ширина выработки (пролет) В = 15 м, высота Нпр = 7 м; глубина заложения выработки Н = 60 м; у = 0,220 МН/м3; асж = (20 4- 40) МПа; Е = 1000 МПа; р = 0,35; страсг = 0,01 МПа; ф = 15°; с = 0,05 МПа; К = ст3/ст, = 0,5.

С использованием метода конечных элементов по программе PHASE 2 были проведены расчеты. Результаты этих расчетов позволили построить графики зависимости суммарных перемещений от схемы и очередности раскрытия забоя (рис 5).

Схема проходки

Рис. 5. Перемещения на контуре проектной выработки при разных схемах

раскрытия забоя

Анализ этих графиков показывает, что оптимальной схемой раскрытия забоя большепролетной выработки является схема Г, т.е при такой очередности раскрытия забоя суммарные перемещения на контуре проектной выработки

будут меньше, чем суммарные перемещения при проходке выработки по другим схемам.

Далее в работе были проведены исследования по оценке влияния размера пролета опережающего забоя на напряжения и перемещения пород на контуре поперечного сечения проектной выработки, которое раскрывалось двумя уступами. Исходные данные для расчета были следующими: у = 0,026 МН/м3; стсж = (20 -ь 40) МПа; араст = 0,05 МПа; с = 0,01 МПа; ср = 18°; ц = (0,3 * 0,35); Е = 2000 МПа; К = а3/а) = 0,5; глубина заложения выработки Н = 40м, пролет проектной выработки В = Юм; высота проектной выработки Нпр= 6 м; ширина опережающего забоя (Ь) изменялась (3 м; 4 м; 5 м; 6 м; 10 м).

На основании полученных результатов были построены графики зависимости напряжений и перемещений пород на контуре проектной выработки от соотношения а = Ь/В (рис. 6).

а) б)

Рис. 6. Зависимость напряжения (а) и перемещения (б) от коэффициента а

Анализ этих результатов показывает, что для заданных исходных данных напряжения и суммарные перемещения на контуре проектной выработки будут минимальными, если выработку проходить двумя уступами, причем пролет опережающего забоя должен быть равен 6 м.

На заключительном этапе были проведены исследования по определению параметров эффективной конструкции крепи при поэтапной схеме раскрытия забоя как в опережающем забое, так и в проектном сечении выработки. Причем рассматривались различные соотношения пролета опережающей и проектной выработок, расчетные схемы которых показаны на рис 7.

Рис. 7. Расчетные схемы для оценки влияния пролета опережающей выработки на напряженно-деформированное состояние пород вокруг контура

проектной выработки

В результате исследований были определены параметры эффективной конструкции крепи как для опережающей, так и для проектной выработки (табл. 3).

Таблица 3

Рекомендуемые параметры конструкции крепи в опережающей и проектной выработках при разных значениях (а = Ь/В) (при /=2-4)

Ь/В Вокруг опережающего забоя Вокруг проектной выработки

0,3 Радиус разрушенной зоны: К = (1,25 - 1,3)м; длина анкеров: Ь = (1,6 - 1,8)м; шаг анкеров а = (1,5 - 2)м; толщина набрызгбетона: (1] = (3 - 5)см. Радиус разрушенной зоны: Я = (1,5 -2,4)м; длина анкеров: Ь = (1,8 - 2,6)м; шаг анкеров а = (2 - 2,5)м; толщина набрызгбетона: сЦ = (3 - 5)см; толщина железобетона: с^ = (35 - 50)см.

0,4 Радиус разрушенной зоны: К = (1,5 - 1,8)м; длина анкеров: Ь = (2,1 - 2,3)м; шаг анкеров а = (1,5 - 2)м; толщина набрызгбетона: с!] = (3 - 5)см. Радиус разрушенной зоны: Я = (1,35 -1,75)м; длина анкеров: Ь = (2,1 - 2,3)м; толщина набрызгбетона: ф = (3 - 5)см; толщина железобетона: с12 = (35 -50)см.

0,6 Радиус разрушенной зоны: Я = (1,7 - 2,3)м; шаг анкеров а = (1,5 - 2)м; длина анкеров: Ь = (2,0 - 3,0)м; толщина набрызгбетона: с!] = (3 - 5)см. Радиус разрушенной зоны: Я = (1,20 -1,6)м; длина анкеров: Ь = (1,5 - 2,5)м; шаг анкеров а = (1,5 - 2)м; толщина набрызгбетона: ё, = (3 - 5)см; толщина железобетона: й2 = (30 - 45)см;

1,0 Радиус разрушенной зоны: Я = (1,6 - 2,6)м; длина анкеров: Ь = (2,0 -3,0)м; шаг анкеров а = (1,5 - 2)м; толщина набрызгбетона: <1, = (3 - 5)см; толщина железобетона: д2= (50 - 70)см.

Полученные результаты показывают, что при поэтапной схеме проходки таких выработок затраты на крепление проектной выработки всегда будут меньше, чем при проходке выработок на полный профиль. Для заданных исходных данных расходы на крепление будут минимальными (см. табл. 3), если пролет опережающего забоя равен 6 м.

На заключительном этапе в работе были проведены исследования для оценки напряженно-деформированного состояния пород и выбора эффективной конструкции крепи выработки большого сечения, сооружаемой способом нижнего уступа. Такая выработка (транспортный тоннель №1) была пройдена при строительстве подземного комплекса ГЭС Хуой Куанга Вьетнама. Исходные данные для расчета были следующими: у = 0,025 МН/м3; ораст = 0,01 МПа; с = 0,05 МПа;/= (2 ч- 4); <р = 15°; Е = 1200 МПа; ц = (0,24 - 0,35); К = а3/ст1 = (0,3 + 0,5); глубина заложения выработки Н = 50 м; пролет выработки В = 10 м; высота Нпр = 10 м. Эта задача была решена также с использованием программы PHASE 2. На основании полученных результатов были построены графики зависимости напряжений (а) и перемещений (б) в своде проектной выработки от параметров комбинированной конструкции крепи (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость напряжений (а) и перемещений (б) от параметров

конструкции крепи

Анализ этих графиков показывает, что если принять параметры комбинированной крепи (набрызгбетон толщиной 15 см и анкеры длиной 2,5м,

шаг анкеров (1,5х1,5)м), то напряжения и перемещения в шелыге выработки будут минимальными.

В работе приведены результаты натурных измерений перемещения пород на контуре строящегося транспортного тоннеля №1 (гидроэлектростанции Хуой Куанга), пройденного способом сплошного забоя и способом бокового уступа (двумя уступами), которые показали, что при проходке способом бокового уступа перемещения в своде проектной выработки были меньше на 6 + 10%, чем при проходке этого тоннеля способом сплошного забоя.

На основе комплексного метода исследований и проведенных натурных измерений непосредственно в забое строящегося тоннеля №1 гидроэлектростанции Хуой Куанга в работе даны рекомендации для расчета параметров конструкции крепи и определения технологии строительства подземного машинного зала запроектированной гидроэлектростанции Хуой Куанга во Вьетнаме. Подземный машинный зал будет построен в средних и слабых неустойчивых породах, имеющих следующие характеристики: у = 0,026 МН/м3; коэффициентУ~ (3 + 6); страс = 0,05 МПа; с = 0,8 МПа; ф=<18 - 20)°; Е = 4500 МПа; ц = (0,26 * 0,32).

В частности, рекомендовано проходить машинный зал способом нижнего уступа, при этом калотту следует раскрывать способом бокового уступа по схеме В (см. рис. 5), а в качестве временной крепи принять анкерную крепь с длиной анкеров 5 м, расстоянием между анкерами (2x2) м и толщиной набрызгбетона от 5 до 7 см. Эти рекомендации были приняты Институтом Прикладной Механики и Информационных технологий (ИПМИ) Вьетнамской академии наук.

Заключение

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится научно обоснованное решение задачи выбора оптимальной схемы раскрытия забоя и конструкции крепи выработок большого сечения, учитывающего распределение напряжений и перемещений пород вокруг контура проектной выработки применительно к горно-геологическим условиям

Вьетнама, что позволит сократить расходы на крепление, а также продолжительность строительства этих выработок.

По результатам выполненных исследований сформулированы следующие основные выводы:

1. При проходке выработок большого сечения с поэтапным раскрытием забоя перемещения породного массива на контуре выработки всегда будут меньше, чем при проходке сплошным забоем. Для принятых исходных данных в своде проектной выработки они меньше на (6 + 15)%;

2. При проходке выработок большого сечения круглой формы в слабых неустойчивых породах всегда можно определить оптимальное соотношение между радиусами опережающей и проектной выработки (го/г!), при котором перемещения массива пород на проектном контуре будут минимальными. Для принятых исходных данных это соотношение равно Го/Г] = 0,8 при Г1 = 2,5м; го/г, = 0,6 при Г! = 5м; Го/г( = 0,4 при ^ = 7,5м и т^ = 0,3 при Г] = Юм;

3. Оптимальным местом расположения опережающего забоя для выработок круглой формы поперечного сечения является центр поперечного сечения проектной выработки, для выработок некруглой формы сечения опережающий забой должен находиться на вертикальной оси проектной выработки и на высоте (1/3 ч- 1/2)Нпр (где Н^ - высота проектной выработки), при этом напряжения и перемещения на контуре выработки будут минимальными;

4. При проходке выработок большого сечения пролетом В = (8 -г- 10) м и высотой Нпр = (6 -г 8) м двумя забоями в слабых неустойчивых породах всегда можно найти соотношение между пролетом опережающего забоя (Ь) и забоем проектной выработки (В), при котором напряжения и перемещения на контуре проектной выработки будут минимальными. Дчя принятых исходных данных Ь/В = 0,6;

5. При проходке выработок большого сечения уступным способом в слабых неустойчивых породах всегда можно определить оптимальное число

забоев. Для выработок с пролетом до 10 м следует принимать два уступа. При пролете выработки более 10 м следует принимать 3 уступа;

6. При проходке выработок большого сечения с пролетом В > (10 15) м и высотой более 8 м в слабых неустойчивых породах следует принимать технологическую схему проходки с нижним уступом, при этом для принятых исходных данных В = Юм, Нпр = 10 м оптимальная конструкция крепи будет комбинированная из анкеров (длина анкеров Ь = 2,5 м, расстояние между анкерами 1,5x1,5 м) и набрызгбетона толщиной 15 см.

7. Результаты диссертационной работы были представлены в Институт Прикладной Механики и Информационных технологий (ИПМИ) Вьетнамской академии наук и приняты к использованию при проектировании выработок большого сечения во Вьетнаме.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Чан Туан Минь. Определение оптимального места расположения опережающего забоя при строительстве осесимметричных выработок большого поперечного сечения // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. -№3 .-С.47-51.

2. Чан Туан Минь. Выбор оптимального места расположения опережающего забоя при проходке выработок большого поперечного сечения не круглой формы. II Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. -№3. - С.52-57.

3. Панкратенко А.Н, Нгуен Суан Мань, Чан Туан Минь. Обоснование выбора оптимального места расположения опережающего забоя при проходке выработок большого поперечного сечения круглой формы в пластичных породах. // Журнал «Горная техника» -Издательский дом «СЛАВУТИЧ», Санкт - Петербург,- 2013, №2. - С.52-54.

4. Чан Туан Мннь, Панкратенко А.Н, Нгуен Куанг Хюи. Оценка влияния схем раскрытия забоя на напряженно-деформированое состояние пород при

проходке болыиепроленых выработок II Научный вестник МГГУ. - 2011. - № 5 (14).-С. 98-105.

5. Чан Туан Минь. Исследование и определение оптимально-проходческой площади направляющего тоннеля при строительстве выработок большого поперечного сечения И Научный вестник МГГУ. - 2012. - № 4 (25). - С. 83-89.

6. Панкратенко А.Н, Чан Туан Минь, Нгуен Суан Мань. Выбор оптимальной схемы раскрытия забоя при проходке выработок большого поперечного сечения в пластичных породах. // Журнал «Горная промышленность». - Ханой -2013, №2. - С. 24-26.

7. Чан Туан Минь, До Нгок Тхаи, Нгуен Вьет Динь. Исследование изменения радиуса зоны неупругих деформаций, свойства крепи при проходке тоннели по поэтапной схеме П Сборник к 45-летию основания кафедры строительства подземных сооружений и шахт, Ханойский горно-геологический университет (ХГГУ), Вьетнам, июнь 2011 года. - С. 90 - 95.

8. Чан Туан Минь, Нгуен Зуен Фонг. Устойчивость станции метро сложной формы без колонны с применением стен поддержания нагрузки. Сборник научной конференции, Ханойский горно-геологический университет (ХГГУ), Вьетнам, ноябрь 2010 года. - С. 122 - 128.

9. Tran Tuan Minh, Nguyen Van Tri. Stability of subway tunnels near the surface driven by underground excavation method with consideration to working stages, International mining conference, Ha Long Viet Nam 23-25 September 2010, P367-372.

10. Tran Tuan Minh, Nguyen Duyen Phong, Nguyen Viet Dinh. Impacted assessment of excavation schemes on rock mass around Huoi Quang underground power cavern in Viet Nam, International conference "Advances in mining and tunneling", Ha Noi university of mining and geology 23-25 August 2012, P284-290.

11. Tran Tuan Minh, Nguyen Duyen Phong, Nguyen Viet Dinh. Research on stress state and deformation around big tunnels with excavation stages in bedding and non-homogeneous rock, International conference "Advances in mining and tunneling", Ha Noi university of mining and geology 23-25 August 2012, P309-316.

Подписано в печать Л8 . .2013 г. Формат 60x90/1 б

Объем 1 пл. Тираж 100 экз. Заказ №

Отдел печати Московского государственного горного университета, г. Москва, Ленинский пр., д.6

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Чан Туан Минь, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201364151

ЧАН ТУАН МИНЬ

ОБОСНОВАНИЕ СХЕМ РАСКРЫТИЯ ЗАБОЯ И ВЫБОР КРЕПИ ВЫРАБОТОК БОЛЬШОГО СЕЧЕНИЯ В ГЕОЛОГИЧЕСКИХ

УСЛОВИЯХ ВЬЕТНАМА

Специальности:

25.00.22. Геотехнология (подземная, открытая и строительная), 25.00.20. Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель профессор, д.т.н. Панкратенко. А.Н

Москва - 2013

Содержание

Введение..........................................................................................4

Глава 1. Обзор существующих способов строительства выработок большого поперечного сечения в слабых неустойчивых породах................9

1.1. Область применения выработок большого поперечного сечения..............9

1.2. Анализ форм и размеров поперечного сечения выработок большого поперечного сечения...........................................................................19

1.3. Анализ существующих конструкций крепи выработок большого поперечного сечения..........................................................................21

1.4. Анализ технологических схем строительства выработок большого поперечного сечения...........................................................................28

1.5. Научные направления и методы изучения состояния пород массива вокруг большепролетной выработки...............................................................33

1.6. Выводы по главе 1........................................................................43

Глава 2. Исследования напряженно-деформированного состояния пород вокруг выработки большого поперечного сечения в слабых неустойчивых породах.............................................................................................44

2.1. Основные положения метода конечных элементов для исследования напряженно-деформированного состояния вмещающих выработку пород. Его реализация в программе PHASE 2..........................................................44

2.2. Аналитические исследования напряженно-деформированного состояния пород вокруг выработки большого поперечного сечения круглой формы при проходке ее на полный профиль...........................................................51

2.3. Исследование напряженно-деформированного состояния пород вокруг выработки большого поперечного сечения с использованием программы PHASE 2.........................................................................................60

2.4. Аналитические исследования напряженно - деформированного состояния пород вокруг выработки круглой формы большого поперечного сечения, сооружаемой в два этапа......................................................................63

2.5. Сравнение результатов аналитических исследований деформирования породного массива вокруг выработки и расчета с использованием программы PHASE 2 на основании метода конечных элементов.......................................66

2.6. Аналитические исследования напряженно-деформированного состояния пород вокруг выработок некруглой формы большого поперечного сечения, сооружаемых уступным способом.........................................................70

2.7. Выводы по главе 2.......................................................................76

Глава 3. Обоснование оптимальных параматров схем раскрытия забоя выработок большого поперечного сечения и выбор типа конструкции крепи............................................................................................77

3.1. Анализ влияния схемы раскрытия забоя на напряженно-деформированное состояние пород вокруг выработки круглой формы поперечного сечения........77

3.2. Определение оптимального места расположения опережающего забоя в проектном сечении выработок большого поперечного сечения в слабых неустойчивых породах.......................................................................81

3.3. Исследование и выбор оптимальной схемы раскрытия забоя выработок большого поперечного сечения при ширине В > 10 м и высоте Нпр < 7 м........88

3.4. Исследования напряженно-деформированного состояния пород вокруг выработок большого поперечного сечения при разработке забоя на полный профиль с учетом начального поля напряжений................................................92

3.5. Оценка влияния пролета опережающего забоя на напряженно-деформированное состояние пород вокруг выработок большого поперечного сечения и определение оптимальной ширины опережающей выработки.......107

3.6. Выбор оптимальной конструкции крепи в выработках большого поперечного сечения, сооружаемых способом нижнего уступа.....................120

3.7. Определение оптимального расстояния между забоями при различных схемах раскрытия забоя выработок большого поперечного сечения............131

3.8. Выводы по главе 3......................................................................135

Глава 4. Экспериментальные исследования в забоях подземного комплекса гидроэлектростанции Хуой Куанга (Вьетнам)................................................137

4.1. Общие сведения о строительстве подземного комплекса ГЭС Хуой Куанга (Вьетнам)...............................................................................................................137

4.2. Натурные измерения перемещений пород на контуре транспортного тоннеля №1 ГЭС Хуой Куанга и выбор способа его строительства..................141

4.3. Оценка устойчивости пород вокруг подземного машинного зала гидроэлектростанции Хуой Куанга и обоснование параметров его конструкции крепи...............................................................................................146

4.4. Выводы по главе 4.....................................................................153

Заключение......................................................................................155

Список использованных источников.....................................................157

Приложение....................................................................................166

Введение

Актуальность работы

В настоящее время во Вьетнаме бурными темпами развивается гидротехническое строительство, поскольку развитие экономики страны напрямую зависит от объема производства электроэнергии. Сегодня в СРВ вырабатывается порядка 130 млрд. кВт.ч электроэнергии в год, но уже к 2025 г. общее производство электроэнергии должно увеличиться до 194 210 млрд кВт.ч, а к 2035 г. - до 330 362 млрд кВт.ч. Причем основной прирост электроэнергии будет происходить за счет введения в строй новых подземных атомных электростанций и гидроэлектростанций с подземной деривацией.

Также правительство Вьетнама уделяет пристальное внимание развитию авто - и железнодорожной сети. В условиях гористой и насыщенной реками местности, что особенно характерно для СРВ, возникает необходимость в строительстве большого количества подземных и подводных тоннелей.

В последние годы в мировой практике подземного строительства выработок большого сечения преобладают поэтапные схемы раскрытия забоя, которые позволяют повысить устойчивость пород вмещающего массива и скорость проходки. Особенно часто их применяют при проходке выработок большого сечения в средних и слабых породах. Однако выбор соответствующей схемы раскрытия забоя является весьма сложной задачей потому, что надо правильно определить прежде всего число забоев и соответственно их площадь, а также правильно подобрать параметры временной крепи и расстояние между опережающим и отстающим забоями. В настоящее время с развитием компьютерной техники можно решать такие задачи, используя численные методы расчета, и достаточно надежно определять напряжения и перемешения на контуре выработок большого сечения в зависимости от схемы раскрытия ее забоя.

Задачи исследований:

Методы исследования:

анализ литературных источников; аналитические исследования перемещений массива пород при различных схемах раскрытия забоя; математическое моделирование с использованием программы PHASE 2; натурные замеры на экпериментальных участках тоннелей; сравнение, анализ и обобщение всех полученных результатов для конкретных выработок подземного комплекса ГЭС Хуой Куанга во Вьетнаме.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- установлено, что схема раскрытия забоя влияет не только на уровень напряженно-деформированного состояния пород вокруг контура выработки, но и на характер распределения перемещений по проектному контуру выработки большого сечения. Причем при поэтапной схеме раскрытия забоя перемещения в своде проектной выработки будут всегда меньше на (6 н- 15)%, чем при проходке этих выработок сплошным забоем;

- установлено, что при проведении выработок большого сечения способом бокового уступа всегда существует оптимальное соотношение между пролетом

Обоснованность и достоверность результатов подтверждаются: анализом литературных источников; аналитическими исследованиями перемещений массива пород при различных схемах раскрытия забоя; математическим моделированием с использованием программы PHASE 2; натурными замерами на экспериментальных участках тоннелей; сравнением, анализом и обобщением всех полученных результатов для конкретных выработок подземного комплекса ГЭС Хуой Куанга во Вьетнаме.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международной конференции в СПГГУ (апреляь, 2011 г.), международной конференции в ТУ ЛГУ (сентябрь, 2012 г.), международной конференции «Прогресс в разработке месторождений и строительстве подземных

сооружений (the 2nd - advance in mining and tunneling)» в Ханойском горногеологическом университете (август, 2012 г.) на международном симпозиуме «Неделя горняка» (МГГУ, январь, 2013 г.), а также на научных семинарах кафедры СПСиШ МГГУ (2011 - 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 2 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России и 3 публикации на международных конференциях.

Глава 1

Обзор существующих способов строительства выработок большого поперечного сечения в слабых неустойчивых породах

1.1. Область применения выработок большого поперечного сечения

Среди большого разнообразия горных выработок в практике подземного строительства встречаются выработки, размеры поперечного сечения которых изменяются от 60 до 1000 м и более. При этом их длина обычно составляет 200-500 м, а ширина изменяется от 20 до 40 м. Такие выработки принято называть камерами. Высота камер составляет 10-20 м, а в отдельных случаях достигает 70 м я более.

В горнодобывающих отраслях, как известно, к камерам большого поперечного сечения относят обычно камеры дробильно-бункерных комплексов, а также некоторые выработки околоствольного двора, объем этих

выработок, как правило, не превышает 10 тыс. м . В промышленном и энергетическом строительстве объем камер для размещения трансформаторных подстанций, турбинных агрегатов атомных и гидроэлектростанций, а также другого специального оборудования достигает порой 400 тыс. м и более.

Наибольшее распространение выработки большого поперечного сечения получили в настоящее время при строительстве гидроэлектростанций с подземной деривацией. Подземные комплексы ГЭС отличаются большим разнообразием форм и размеров поперечного сечения выработок (от 6 до 400 м), большим скоплением близко расположенных выработок с различной площадью поперечного сечения и длиной (особенно большепролетных выработок), хаотичной их ориентацией в массиве и расположением на разных отметках.

Характерным примером сложности и большого объема работ является подземный комплекс ГЭС Хоабинь на реке ШонгДа (рис. 1.1), строительство которой было закончено в 1994 г. Общий объем скальной выломки этого

подземного комплекса составляет порядка 5,1млн. м , при этом будет всего пройдено 50 выработок общей длиной 24 км.

В настоящее время подписано соглашение с Российской Федерацией о разработке проекта и о строительстве подземной атомной электростанции (ПАЭС) на юге Вьетнама (провинция Камай). В состав подземного комплекса этой электростанции должно войти много выработок большого поперечного сечения.

По типу расположения ПАЭС делят на котлованные, котлованно-шахтные, штольневые, штольнево - направные, шахтные с бассейном в виде камер и шахтные с тороидным нижним бассейном. ПАЭС состоят, как правило, из трех технологически взаимосвязанных частей: энергогенерирующего комплекса (ядерный реактор, парогенератор, турбогенератор); технологического комплекса сбора и кондиционирования радиоактивных отходов; комплекса горных выработок для размещения подготовленных (переработанных) радиоактивных отходов и хранения облученного ядерного топлива.

Несмотря на накопленный опыт, создание ПАЭС является принципиально новой научно-технической проблемой не только для атомной энергетики, но и для специалистов в области возведен�

Информация о работе

Чан Туан Минь
кандидата технических наук
Москва, 2013
ВАК 25.00.22

Диссертация

Обоснование схем раскрытия забоя и выбор крепи выработок большого сечения в геологических условиях Вьетнама - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы