Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка экспериментально-аналитического метода оценки надежности многослойной круглой крепи для обеспечения устойчивости горных выработок

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Разработка экспериментально-аналитического метода оценки надежности многослойной круглой крепи для обеспечения устойчивости горных выработок"

На гщавах рукописи

ЛУКАШИН Станислав Борисович

РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКОГО МЕТОДА ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ МНОГОСЛОЙНОЙ КРУГЛОЙ КРЕПИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Специальность: 25.00.20 - «Геомеханика, разрушениг горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

5 ДЕК 2013

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических нау :<

Тула 2013 005542504

005542504

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» (ТулГУ) на кафедре геотехнологий и строительства подземных сооружений.

Научный руководитель:

САВИН Игорь Ильич, доктор технических наук, профессор кафедры «Геотехнологии и строительство подземных сооружений», ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», г. Тула

Официальные оппоненты:

САММАЛЬ Андрей Сергеевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» / кафедра механики материалов, профессор

ШЕЛЕПОВ Николай Валентинович, кандидат технических наук,

ООО «СпецПромСтрой» / руководитель проектной группы

Ведущая организация: НИПИИ «Ленметрогипротранс», г. Санкт-Петербург

Защита состоится 27 декабря 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 Тульского государственного университета по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина 90, 6 учебный корпус, аудитория 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах просим выслать по адресу: 300012, Тула, просп. Ленина, 92, Ученый совет ТулГУ, факс: (4872)33-13-05, e-mail: toolart@mail.ru

Автореферат разослан 26 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Копылов Андрей Борисович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Основной задачей шахтного и подземного строительства является обеспечение надежности крепи горных выработок и обделок подземных сооружений. Наиболее важным и наде;кным источником информации о работе конструкций подземных сооружений являются натурные исследования, заключающиеся в измерении различных компонентов напряженно-деформированного состояния (НДС), характеризующих совместную работу крепи горных выработок и обделок подземных сооружений с массивом горных пород. Натурные измерения выполняются ведущими академическими и отраслевыми научно-исследовательскими институтами: ВНИМИ, ГоИ КНЦ РАН, ИГД СО РАН, ИГД УрО РАН, МГГУ, ОАО «НИПИИ Ленметрогипротранс», ЦНИИС транспортного строительства и др.

Разработанные на сегодняшний день методы опенки надежности строительных конструкций в основном применяются для объектов, расположенных на дневной поверхности. Для подземных сооружений такие методы практически отсутствуют, а имеющиеся методы, как правило, позволяют приближенно оценить надежность подземных конструкций с позиций обычной строительной конструкции без учета специфики геомеханических особенностей их работы в подземных условиях.

В настоящее время экспериментально-аналитические методы оценки надежности многослойных конструкций подземных сооружений отсутствуют.

В связи с этим разработка метода оценки надежности конструкций подземных сооружений с учетом их геомеханического взаимодействия с массивом горных пород и максимальным использованием результатов натурных измерений является актуальной задачей шахтного и подземного строительства.

Диссертационная работа выполнялась в рамках направлений исследований Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов ТулГУ, а также при поддержке АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» (Задание № 2.2.1.1/3942) и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК № 02.740.11.0319, Соглашение № 14.В37.21.0580).

Целью работы является уточнение закономерностей для вероятностной оценки фактической надежности многослойной 1руглой крепи протяженных горных выработок и обделок подземных сооружений по результатам измерения компонентов напряжений или деформаций, полученных в натурных условиях.

Идея работы заключается в установлении уровня надежности конструкций подземных сооружений путем определения числовых характеристик функции неразрушимости конструкции при известных характеристиках случайных аргументов, полученных с использованием экспериментально-аналитического метода расчета и заданных неслучайных величин, характеризующих область исходных данных системы «крепь - массив».

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- условие безотказного состояния крепи (обделки) определяется разностью между математическим ожиданием несущей способности крепи (обделки) и наибольшим начальным расчетным напряжением, устанавливаемым путем статистической обработки результатов натурных наблюдений за проявлениями горного давления;

- функция неразрушимости крепи (обделки) однозначно находится путем решения математической задачи теории упругости для плоскости с круглым вырезом, подкрепленным в общем случае неоднородным (многослойным) кольцом, в прямой (определение несущей способности) и обратной (определение наибольшего начального расчетного напряжения) постановке;

- функция неразрушимости конструкции описывается нормальным законом распределения, для которой числовые характеристики случайных величин определяются путем обработки результатов натурных измерений проявлений горного давления с использованием метода наименьших квадратов;

- надежность многослойной круглой крепи горных выработок и обделок тоннелей рассчитываются с помощью выражения А.Н. Красовского, путем введения уточненных коэффициентов, полученных с использованием статистической обработки результатов натурных измерений произвольных компонентов напряженно-деформированного состояния в крепи (обделке).

Научная новизна основных результатов заключается в следующем:

- разработаны методологические положения оценки надежности крепи с использованием вероятностного подхода на основе решения плоской контактной задачи теории упругости для многослойного круглого кольца, подкрепляющего •отверстие в линейно-деформируемой, однородной, изотропной среде, моделирующей массив пород, в обратной постановке, для определения фактических разрушающих напряжений в крепи, путем совместной обработки результатов разнородных измерений;

- на основе решения оценки надежности разработаны метод и алгоритм расчета многослойной крепи (обделки), позволяющие установить фактическую надежность крепи путем совместной обработки измерений произвольных компонентов напряженно-деформированного состояния, расположенных в пунктах измерения, имеющих произвольные радиальные и тангенциальные координаты;

- установлены зависимости фактической надежности крепи горных выработок и обделок подземных сооружений от прочностных характеристик материала крепи (обделок).

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе были использованы: методы математической теории упругости, теории вероятностей, математической статистики, программирования.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов диссертации подтверждается:

- использованием в качестве исходных данных характеристик геомеханического взаимодействия подземных конструкций с массивом горных пород, экспериментально полученных в натурных условиях;

- применением строгих аналитических решений, имеющих контроль правильности решений, а также абсолютной сходимостью результатов расчета одной и той же конструкции крепи при решении как прямой, так и обратной задач.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

- разработан алгоритм и компьютерное программное обеспечения для оценки фактической надежности крепи с использованием метода совместной обработки результатов натурных измерений разнородных компонентов НДС;

- обоснованы вероятностные подходы и критерии надежности крепи (обделки) с использованием функции характеристики безопасности.

Реализация результатов работы. Основные результаты исследований были использованы в Тульском государственном университете при выполнении НИР по федеральной и ведомственной целевой программе.

Апробация работы. Основные положения дигсертационной работы докладывались на IV, V, VI Международных конференциях «Проблемы геомеханики и механики подземных сооружений» (Тула, 2010, 2011, 2012 ), на 7-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики;) (Тула, 2011), на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Тульского государственного университета (Тула, 2010, 2011, 2012).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 - в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, содержит 137 е., включая 32 рисунка, список литературы из 135 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Экспериментальные исследования в натурных условиях имеют большое значение в горной науке и, в частности, в подземном строительстве. Одним из перспективных направлений применения результатов натурных измерений является их использования для оценки фактической надежности конструкций подземных сооружений с привлечением методов теории вероятностей и математической статистики.

Существенный вклад в развитие техники и технологии натурных измерений, направленных на изучение взаимодействия крепи с массивом пород, внесли такие ведущие академические и научно-исследовательские институты, как ВНИМИ, ГоИ КНЦ РАН, ИГД СО РАН, ИГД УрО РАН, МГГУ, ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс», ЦНИИС транспортного строительства и др.

Вопросы вероятностной оценки надежности подземных строительных конструкций в связи с трудностью применения методов теории вероятности в научной литературе находят ограниченное отражение. Первые публикации, посвященные вопросам надежности крепи в нашей стране, относятся к началу 60-х годов прошлого столетия. В настоящее время известен ряд работ по исследованию различных аспектов надежности крепи. К ним следует отнести научные исследования таких авторов, как A.A. Бородуля, В.П. Бродский, Д.Л. Ерофеев, A.M. Козел, А.Н. Красовский, JI.A. Мирошникова, В.М. Мостков, C.B. Сергеев, А.Е. Янкин и др. Большинство авторов рассматривает надежность металлической арочной крепи из СВП и только в некоторых работах изучается надежность монолитной бетонной крепи. Как правило, все работы относятся к горизонтальным горным выработкам за исключением работы A.M. Козела, где кратко проанализированы вопросы надежности крепи вертикальных стволов.

Цель, идея работы и современное состояние знаний по исследуемой проблеме обусловили необходимость постановки и решения следующих задач:

- обосновать возможность применения вероятностных подходов для определения запаса прочности и характеристики безопасности с целью оценки прочности крепи (обделки);

- обосновать критерии оценки прочности крепи (обделки) для определения её фактической надежности по результатам натурных измерений произвольных компонентов напряженно-деформированного состояния в элементах крепи (обделки);

- разработать метод оценки фактической надежности многослойной круглой крепи (обделки) по результатам обработки измерений нормальных тангенциальных напряжений, нормальных радиальных (контактных) напряжений и по результатам совместной обработки измерений проявления горного давления для сложных систем натурных измерений;

- выполнить оценку фактической надежности конструкций подземных сооружений, возводимых в различных горно-геологических условиях, по результатам натурных исследований, выполненных различными авторами и научно-исследовательскими институтами;

- установить зависимости влияния прочностных характеристик материала крепи (обделки) на фактическую надежность подземных сооружений в процессе их строительства и эксплуатации.

Безопасное состояние крепи горных выработок и обделок подземных сооружений определяется расчетом на прочность и устойчивость, в процессе которого устанавливается соотношение между внешними нагрузками и воздействиями, с одной стороны, и геометрическими и прочностными характеристиками крепи - с другой. Эти соотношения представляют собой неравенства, определяющие область безопасных состояний крепи.

Для правильного расчета и проектирования крепи стволов необходимо знать три группы параметров: параметры нагружения W (нагрузки и воздей-

ствия на крепь); параметры системы «крепь - массив» К (геометрические размеры крепи, деформационные характеристики материала крепи и пород, параметры технологии); выходные параметры и (компоненты напряженно-деформированного состояния крепи).

Параметры IV и К рассматриваются как исходные данные задачи, решение которой состоит в определении компонентов напряженно-деформированного состояния крепи: й = и АГ].

Данное выражение представляет собой математическую (аналитическую или численную) модель реальности и поэтому оно неизбежно приближенно, поскольку исходные данные обладают неопределенностью.

Это определяет необходимость при проектировании и расчете подземных конструкций использовать методы теории вероятностей и математической статистики для задания расчетных значений нагрузок и воздействий, при выборе расчетных показателей деформационных и прочностных свойств материалов крепи и пород, а также при интерпретации результатов мониторинга за напряженно-деформированным состоянием крепи горных выработок и обделок подземных сооружений.

В основу определения напряженно-деформированного состояния крепи, соответствующего предельному, заложена смешанная (полувероятностная) модель, согласно которой в расчетных формулах все величины рассматриваются как неслучайные, а статистические методы используются лишь для установления расчетных и нормативных значений входящих величин.

В общем виде критериальное условие прочности крепи записывается в виде неравенства Р<К, где Р- обобщенная нагрузка на крепь; Я - обобщенная прочность конструкции.

Для учета влияния случайных факторов и отличия расчетной модели от фактической в данное условие вводятся корректирующие коэффициенты в виде множителей к нагрузкам и напряжениям или к усилиям, вызываемым этими нагрузками.

С одной стороны, данные коэффициенты отражают несовершенство метода расчета, а с другой стороны - его достоинство, которое состоит в простоте инженерных расчетов. В этих коэффициентах заключен статистический смысл проблемы расчета, который благодаря им сводится к детерминистической постановке.

При разработке вероятностных методов расчета строительных конструкций используются различные по форме условия прочности. По ряду принципиальных и формальных причин следует отдать предпочтение условию прочности, записанному в виде

ЧаЧа—--У/Рн =5>0, (1)

где Рн - нормативное значение нагрузки; Дн - нормативное значение сопротивление материала; у , уА, уа, ут, уп - коэффициенты, учитывающие возможные неблагоприятные отклонения нагрузок, условий работы, геометрических характеристик, сопротивления материала и надежность по назначению конструкции; 5 - запас прочности.

Величина 5 - случайная, поскольку является функцией случайных величин. Кроме того, поскольку 5 есть ни что иное, как алгебраическая сумма произведений нескольких случайных величин Рн, Ян, у {, у а, у а, ут, уп, то ее распределение должно быть близким к нормальному вне зависимости от того, какие распределения имеют другие случайные величины, входящие в формулу (1).

В данной работе для оценки прочности крепи используется критерий вида ()<№>, где - величина наибольшего расчетного начального напряжения в

рассматриваемом сечении; №> - несущая способность крепи.

Под несущей способностью крепи понимается величина наибольшего главного начального расчетного напряжения при заданном отношении главных начальных напряжений, действие которых вызывает возникновение в крепи напряженно-деформированного состояния, соответствующего предельному.

Запас прочности крепи в расчетном сечении выработки можно определить как разность между математическими ожиданиями несущей способности крепи и расчетного напряжения в рассматриваемом сечении выработки: 5 = АЛ? - <2 •

При любых законах распределения дисперсия 5 и среднеквадратическое отклонение 5 запаса прочности определяются по формулам 51 = Л'5 + 2; Б -у]Ш+<2, где М? и (? - дисперсии несущей способности и нагрузки в расчетном сечении ствола соответственно.

Для определения вероятности безотказной работы крепи на стадии проектирования можно воспользоваться подходом, предложенным А.Р. Ржаницыным для наземных строительных конструкций. При нормальном законе распределения запаса прочности условие того, что крепь находится в безотказном состоянии с заданным уровнем безопасности, будет обеспечено с вероятностью Р($) = 0,5 + Ф(Л),где Ф(Л) - значение нормированной (интегральной)

функции Лапласа; Д - характеристика безопасности.

Введенная в рассмотрение А. Р. Ржаницыным характеристика безопасности Д представляет собой количество стандартов 5, расположенных в интервале от 0 до 5, то есть величина, обратная коэффициенту вариации запаса прочности Д = .?/-§ = у;1, где у^ - коэффициент вариации запаса прочности.

Надежность крепи оценивается как вероятность неразрушения внутреннего слоя многослойной крепи. Такой подход представляется более правильным, поскольку на внутреннем контуре крепи возникают экстремальные напряжения и

(2)

материал крепи находится в одноосном напряженном состоянии по сравнению с внутренними слоями, где материал крепи находится в объемном напряженном состоянии. В этом случае условие безотказного состояния крепи имеет вид 5 = №?-2>0.

Несущая способность крепи определяется из условия достижения предельных нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре крепи, соответствующих расчетным сопротивлениям на сжатие (растяжение) материала крепи.

Для определения нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре крепи применяется метод коэффициентов передачи нагрузок, предложенный проф. Н.С. Булычевым, являющийся общепризнанным как у нас в стране, так и за рубежом.

Выражение для нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре крепи имеет вид

СТ9(1) + (22(2)"2(1) - ^2(2)"Х(1))СО520

где Р1\ - максимальное начальное расчетное напряжение в нетронутом массиве пород; кд - коэффициент вида напряженного состояния массива пород; X -коэффициент неравномерности распределения напряжений в массиве пород; ^(Х)' >1>2(1)' 2г(1) " коэффициенты передачи нагрузок на внутренний слой

крепи; т-у^, п-^-д, "2(1) - коэффициенты, определяемые через характеристики

внутреннего слоя крепи.

Несущая способность конструкции определяется по следующему алгоритму.

1 По методике Н.С. Булычева производится расчет исследуемой конструкции подземного сооружения при значении Р^ = 1 МПа (расчет на единичную нагрузку).

2 Выбирается максимальное сжимающее или растягивающее нормальное тангенциальное напряжение на внутреннем контуре крепи от единичной

нагрузки <4(1)тах.

3 Определяется несущая способность конструкции по формуле 1-1

7У5 = Р(у [а] тах | > гДе [ст] - предел прочности материала внутреннего

слоя крепи на растяжение или сжатие.

Запас прочности является функцией следующих величин: (внутрен-

ний радиус ¡'-го слоя крепи), (внешний радиус крепи), 0 Д, Е^ (модуль деформации г-го слоя крепи), Е^ (модуль общей деформации пород), у^(коэф-

фициент поперечной деформации материала г-го слоя крепи), v^ (коэффициент поперечной деформации пород), Pj,, причем [ст], Е^, Е^, v^, v(„)> Ръ - случайные величины, R^, R^, 8 неслучайные величины.

Для оценки фактического уровня надежности крепи требуется определить числовые характеристики функции неразрушимости S, если известны числовые характеристики случайных аргументов на основе обработки экспериментальных данных и заданы неслучайные величины , R^, 0 .

Дальнейшая оценка уровня надежности выполняется с использованием подхода, предложенного А.Н. Красовским и C.B. Сергеевым для вероятностной оценки надежности вертикальных подземных оболочек.

Окончательное выражение для определения уровня надежности имеет вид

Я = [о, 5 + Фу,."1 J +1,6694s<Povî-1 + 0.0417£5ф^-1, (3)

где Ф - интеграл вероятности; v^ - коэффициент вариации; As - коэффициент

асимметрии; Es - эксцесс; фд - плотность распределения нормированной нормальной величины.

Оценка фактической надежности многослойной круглой крепи (обделки) по результатам обработки измерений нормальных радиальных (контактных) напряжений выполняется в следующей последовательности.

1 С использованием экспериментально-аналитического метода расчета многослойных конструкций, разработанного И.И. Савиным, по результатам натурных измерений нагрузок на крепь определяются характеристики начального поля напряжений: величина наибольшего начального расчетного поля напряжений в нетронутом массиве пород Рь\ коэффициент неравномерности распределения напряжений в массиве пород X ; угол наклона главных напряжений в нетронутом массиве пород а.

2 С использованием полученных характеристик по алгоритму, приведенному выше, определяется общая несущая способность крепи.

3 Путем решения прямой задачи с использованием полученных расчетных характеристик начального поля напряжений определяются значения предельных нормальных радиальных напряжений на контакте крепи с массивом пород, соответствующих несущей способности крепи.

4 В пунктах измерения вычисляются соответствующие величины запаса прочности как разность между предельными и измеренными величинами.

5 Для функции запаса прочности определяются следующие вероятностные параметры:

_г *

- математическое ожидание запаса прочности m = M(S) = k ^ S, ;

/=1

- центральные моменты 2, 3 и 4-го порядков ц,- =M{S — mf, (г = 2,3,4) ;

- математическое ожидание запаса прочности т = М(Б) = к 1 51,-;

г=1

- центральные моменты 2, 3 и 4-го порядков ¡и;- -М[8-т)', (/ = 2,3,4);

- значения коэффициента асимметрии Ац = ^з ()-12) ' ;

- эксцесс Е$ = щ [ст(5)]~4 -3, гдест(5) - среднее квадратичное отклонение.

6 Вычисляются значения интегральной функции Лапласа Ф(Д) и плотности стандартного нормального распределения срд (Д).

7 По формуле (3) определяется уровень надежности рассматриваемой конструкции крепи.

В качестве примера оценки фактической надежности рассмотрим обделку перегонного тоннеля метрополитена, пройденного в кембрийских глинах в условиях г. Ленинграда (данные Б.Н. Виноградова). Эпюры измеренных и расчетных нормальных радиальных напряжений (нагрузок на обделку) представлены на рисунке 1.

1 - эпюра измеренных напряжений; 2 - эпюра расчетных напряжений; 3 - эпюра предельных напряжений, соответствующих минимальному значению несущей

способности обделки Рисунок 1 - Эпюры измеренных и расчетных напряжений на обделку перегонного тоннеля

Результаты обработки данных натурных измерений нормальных радиальных напряжений на обделку тоннеля представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Значения измеренных и расчетных величин нормальных радиальных напряжений на обделку тоннеля____

Угловые координаты пунктов измерений, град 100 60 20 340 300 260

Измеренные величины, МПа 0,89 0,6 0,67 0,7 0,61 0,82

Расчетные величины, МПа 0,767 0,715 0,639 0,665 0,75 0,753

Предельные значения расчетных величин, МПа 1,45 1,35 1,21 1,26 1,42 1,42

Расчетные характеристики начального поля напряжений составили:

- величина начального расчетного напряжения Р),— 0,9985 МПа;

- коэффициент бокового давления Х = 0,794;

- угол наклона главных напряжений а= 9°. Расчетная несущая способность обделки N5= 1,834 МПа. Вспомогательные величины:

- коэффициент асимметрии 0,622;

- эксцесс 1,585;

- характеристика безопасности 5,568. Фактическое значение уровня надежности Н я 1,0 ,

Зависимость надежности обделки от прочности материала обделки представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Зависимость надежности обделки тоннеля от предела прочности материала обделки (по данным ЦНИИС фактический предел прочности материала обделки на прочность составил 22 МПа) 12

Фактическая надежность многослойной круглой крепи (обделки) по результатам обработки нормальных тангенциальных напряжений, измеренных на внутреннем контуре крепи (обделки), оценена применительно к крепи ствола шахты Центральная Кимперсайского месторождения хромитовых руд (данные ИГД УрО РАН). Эпюры измеренных и расчетных нормальных тангенциальных напряжений представлены на рисунке 3.

1 - эпюра измеренных напряжений; 2 - эпюра расчетных напряжений; 3 - эпюра предельных напряжений, соответствующих минимальному значению несущей

способности крепи

Рисунок 3 - Эпюры измеренных и расчетных нормальных тангенциальных напряжений на крепь ствола (отметка -495,8 м)

Расчетные характеристики начального поля напряжений составили:

- величина начального расчетного напряжения 1\= 4,3885 МПа;

- коэффициент бокового давления Х= 0,5968;

- угол наклона главных напряжений а = 89°. Расчетная несущая способность крепи NS = 5,805 МПа. Вспомогательные величины:

- коэффициент асимметрии 0,0622;

- эксцесс -1,428;

- характеристика безопасности 1,824.

Фактическое значение уровня надежности составило Н = 0,966. Зависимость надежности крепи от прочности материала обделки представлена на рисунке 4.

Оценка фактической надежности обделки по результатам измерения нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем и внешнем контурах вы-

полнена для перегонного тоннеля метрополитена между' станциями «Лесная» и «Площадь Мужества» в зоне «размыва» после реконструкции тоннеля (данные НИПИИ «Ленметрогипротранс»). Результаты расчета представлены в таблице 2.

25,4

Рисунок 4 - Зависимость надежности крепи ствола от предела прочности материала крепи (по данным ИГД УрО РАН фактический предел прочности материала крепи на прочность составил 25,4 МПа)

Таблица 2 - Значения измеренных и расчетных величин напряжений на внутреннем и внешнем контурах обделки тоннеля

а, Ъ Координаты пунктов измерений Значения нормальных тангенциальных

Ы напряжений, МПа

угловые, град радиальные, м измеренных расчетных предельных

« 44 3,50 4,8 5,97 12,83

к щ 112 3,50 7Д 7,11 15,28

я 1) к 248 3,50 6,9 6,11 13,13

СО 316 3,50 7,0 7,41 15,92

>5! К 44 3,25 8,1 8,11 17,43

Ж X а> 112 3,25 7,0 6,61 14,22

е- 248 3,25 8,2 7,92 17,04

я са 316 3,25 6,3 6,22 13,38

Опуская промежуточные вычисления, отметим, что для условий приведенного примера характеристика безопасности составила 8,35, а соответствующее ей фактическое значение уровня надежности - Н «1,0 .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе выполненных аналитических исследований получено новое решение задачи оценки фактической надежности многослойной крепи горных выработок и обделок подземных сооружений круглого поперечного сечения путем обработки результатов измерения напряжений, деформаций и перемещений в произвольных точках крепи (обделки) и установлены новые закономерности влияния прочностных характеристик материала крепи (обделок), позволяющие повысить эффективность принимаемых проектных решений в области шахтного и подземного строительства.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1 Разработан вероятностный подход для определения запаса прочности и характеристики безопасности протяженных подземчых сооружений круглого поперечного сечения с целью оценки прочности возводимых в них конструкций.

2 Обоснован критерий оценки прочности крепи (обделки) для определения её надежности, которым является несущая способность, определяемая как максимальная величина начальных расчетных напряжений в нетронутом массиве пород, при которых в крепи (обделке) возникает напряженно-деформированное состояние, соответствующее предельному состоянию.

3 Несущая способность крепи (обделки) устанавливается путем определения фактических характеристик начального расчетного поля напряжений по результатам обработки данных натурных измерений проявления горного давления в крепи (обделке) и последующего расчета исследуемой конструкции с использованием полученных данных.

4 Разработан метод, позволяющий установить фактическую надежность многослойных подземных конструкций протяженных горных выработок круглого поперечного сечения по результатам обработки измерений нормальных тангенциальных напряжений, нормальных радиальных (контактных) напряжений и по результатам совместной обработки измерений проявления горного давления для сложных измерительных систем.

5 Выполнена оценка фактической надежности конструкций вертикальных и горизонтальных подземных сооружений, возводимых в различных горногеологических условиях, характеризующихся напитаем гравитационного или тектонического поля начальных напряжений, по данным натурных измерений, полученных различными авторами и научно-исследовательскими институтами.

6 Установлены зависимости влияния прочностных характеристик материала крепи (обделки) на фактическую надежность подземных сооружений в процессе их строительства и эксплуатации.

7 Разработан алгоритм, позволяющий с применением стандартного компьютерного обеспечения (приложение Microsoft Excel) и разработанных в

ТулГУ программ экспериментально-аналитического метода BACK и В ACK_SP, оценить фактическую надежность крепи (обделки).

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1 Лукашин, С.Б. Определение вероятности сейсмического риска опасности для подземного сооружения / Н.М. Качурин, O.A. Афанасьев, С.Б. Лукашин // Известия ТулГУ. Естественные науки. Вып. 1. Ч. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 159-163.

2 Лукашин, С.Б. Метод обработки результатов измерения разнотипных компонентов напряженно-деформированного состояния крепи горных выработок / И.И. Савин, В.А. Свиридкин, С.Б. Лукашин // Известия ТулГУ. Науки о Земле. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 171-176.

3 Лукашин, С.Б. Диагностика крепи эксплуатируемых и законсервированных вертикальных шахтных стволов / И.И. Савин, В.А. Свиридкин, С.Б. Лукашин // Известия ТулГУ. Науки о Земле. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012.

С. 177-180.

4 Лукашин, С.Б. Оценка геодинамического риска при проектировании подземных сооружений / Н.М. Качурин, O.A. Афанасьев, С.Б. Лукашин // Доклады Международной конференции «Аналитические методы расчета инженерных конструкций подземных сооружений». Тула, 17-18 февраля 2012 г./ Под общ. ред. А.Л. Чеботарева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 54-58.

5 Лукашин С.Б. Оценка сейсмических нагрузок на крепь ствола Тырет-ского солерудника / Н.М. Качурин, O.A. Афанасьев, П.В. Деев, С.Б. Лукашин // Доклады Международной конференции «Аналитические методы расчета инженерных конструкций подземных сооружений»: Тула, 17-18 февраля 2012 г./ Под общ. ред. АЛ. Чеботарева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 59-63.

6 Лукашин, С.Б. Математическое моделирование сейсмических нагрузок на крепь стволов Тыретского солерудника / Н.М. Качурин, O.A. Афанасьев, С.Б. Лукашин // Доклады Международной конференции «Аналитические методы расчета инженерных конструкций подземных сооружений». Тула,

17-18 февраля 2012 г./ Под общ. ред. А.Л. Чеботарева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 64-67.

7 Лукашин, С. Б. Расчет необходимых параметров ледопородного ограждения в замковой части/ Н. С. Булычев, Д. С. Комаров, С. Б. Лукашин// Известия ТулГУ. Естественные науки. Вып. 1. Ч. 2. Тула: Изд-во ТулГУ,2012.

С. 54-60.

8 Лукашин, С. Б. Применение податливого полимерного слоя при креплении выработок околоствольного двора/ Н. С. Булычев, Д. С. Комаров, С. Б. Лукашин // Известия ТулГУ. Естественные науки. Вып. 1 Ч. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 60-66.

Изд. лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 2S.11.2013 Формат бумаги 60x84 у Бумага офсетная.

Усл. печ. л. 0,9. Уч.-изд. л. 0,8. Тираж 100 экз. Заказ 091 Тульский государственный университет 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92 Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300012, г. Тула, просп. Ленина, 95

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Лукашин, Станислав Борисович, Тула

ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

П/ "ЗГИ / утьу 1 1 Л*.*! 7 а

На правах рукописи

ЛУКАШИН Станислав Борисович

РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКОГО МЕТОДА ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ МНОГОСЛОЙНОЙ КРУГЛОЙ КРЕПИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Специальность: 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук Савин И.И.

Тула 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................4

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ........................................................................9

1.1 Надежность подземных сооружений.....................................................................9

1.2 Натурные измерения и их роль в совершенствовании методов проектирования и расчета крепи................................................................................ 17

2 ОБЩИЙ МЕТОД ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ КРЕПИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК И ОБДЕЛОК ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ...............................28

2.1 Определение вероятности разрушения крепи вертикального ствола..............28

2.2 Общий алгоритм оценки надежности крепи по результатам натурных измерений проявлений горного давления..............................................................................55

3 МЕТОД ОЦЕНКИ ФАКТИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ПО РЕЗУЛЬТАМ ИЗМЕРЕНИЯ НОРМАЛЬНЫХ РАДИАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

НА КОНТАКТЕ КРЕПИ С МАССИВОМ ПОРОД...................................................58

3.1 Оценка надежности ствола шахты Велико-Мостовская ...................................65

3.2 Оценка надежности ствола шахты Красный Профинтерн.................................69

3.3 Оценка надежности перегонного тоннеля метрополитена

в г. Ленинграде, пройденного под р. Невой в кембрийских глинах.................71

3.4 Оценка надежности перегонного тоннеля Киевского метрополитена, пройденного в спондиловых глинах (данные ЦНИИС).....................................75

3.4 Оценка надежности магистрального штрека

шахты им. «Героев Космоса»................................................................................77

4 МЕТОД ОЦЕНКИ ФАКТИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ПО РЕЗУЛЬТАМ ИЗМЕРЕНИЯ НОРМАЛЬНЫХ ТАНГЕЦИАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ВНУТРЕННЕМ КОНТУРЕ КРЕПИ............................................................................84

4.1 Оценка надежности шахты «Центральная» (замерная станция № 3) ..............88

4.2 Оценка надежности шахты «Центральная» (замерная станция № 5) ..............91

5 МЕТОД ОЦЕНКИ ФАКТИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ПО РЕЗУЛЬТАМ ИЗМЕРЕНИЯ НОРМАЛЬНЫХ ТАНГЕЦИАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ВНЕШНЕМ И ВНУТРЕННЕМ КОНТУРЕ КРЕПИ.............95

5.1 Оценка изменения надежности тоннеля в различные сроки выполнения измерений ....................................................................................... 100

5.2 Оценка надежности обделки на период установившихся деформаций.... 106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................... 110

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ......................................................................................... 114

ВВЕДЕНИЕ

Основной задачей шахтного и подземного строительства является обеспечение надежности крепи горных выработок и обделок подземных сооружений. Наиболее важным и надежным источником информации о работе конструкций подземных сооружений являются натурные исследования, заключающиеся в измерении различных компонентов напряженно-деформированного состояния (НДС), характеризующих совместную работу крепи горных выработок и обделок подземных сооружений с массивом горных пород. Натурные измерения выполняются ведущими академическими и отраслевыми научно-исследовательскими институтами: ВНИМИ, ГоИ КНЦ РАН, ИГД СО РАН, ИГД УрО РАН, МГГУ, ОАО «НИПИИ Ленметрогипротранс», ЦНИИС транспортного строительства и др.

Разработанные на сегодняшний день методы оценки надежности строительных конструкций в основном применяются для объектов, расположенных на дневной поверхности. Для подземных сооружений такие методы практически отсутствуют, а имеющиеся методы, как правило, позволяют приближенно оценить надежность подземных конструкций с позиций обычной строительной конструкции без учета специфики геомеханических особенностей их работы в подземных условиях.

В настоящее время экспериментально-аналитические методы оценки надежности многослойных конструкций подземных сооружений отсутствуют.

В связи с этим разработка метода оценки надежности конструкций подземных сооружений с учетом их геомеханического взаимодействия с массивом горных пород и максимальным использованием результатов натурных измерений является актуальной задачей шахтного и подземного строительства.

Диссертационная работа выполнялась в рамках направлений исследований Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов ТулГУ, а также при поддержке АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» (Задание № 2.2.1.1/3942) и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры

инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК № 02.740.11.0319, Соглашение № 14.В37.21.0580).

Целью работы является уточнение закономерностей для вероятностной оценки фактической надежности многослойной круглой крепи протяженных горных выработок и обделок подземных сооружений по результатам измерения компонентов напряжений или деформаций, полученных в натурных условиях.

Идея работы заключается в установлении уровня надежности конструкций подземных сооружений путем определения числовых характеристик функции неразрушимости конструкции при известных характеристиках случайных аргументов, полученных с использованием экспериментально-аналитического метода расчета и заданных неслучайных величин, характеризующих область исходных данных системы «крепь - массив».

Задачи исследования:

- обосновать возможность применения вероятностных подходов для определения запаса прочности и характеристики безопасности с целью оценки прочности крепи (обделки);

- обосновать критерии оценки прочности крепи (обделки) для определения её фактической надежности по результатам натурных измерений произвольных компонентов напряженно-деформированного состояния в элементах крепи (обделки);

- разработать метод оценки фактической надежности многослойной круглой крепи (обделки) по результатам обработки измерений нормальных тангенциальных напряжений, нормальных радиальных (контактных) напряжений и по результатам совместной обработки измерений проявления горного давления для сложных систем натурных измерений;

- выполнить оценку фактической надежности конструкций подземных сооружений, возводимых в различных горно-геологических условиях, по результатам натурных исследований, выполненных различными авторами и научно-исследовательскими институтами;

- установить зависимости влияния прочностных характеристик материала крепи (обделки) на фактическую надежность подземных сооружений в процессе их строительства и эксплуатации.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1 Условие безотказного состояния крепи (обделки) определяется разностью между математическим ожиданием несущей способности крепи (обделки) и наибольшим начальным расчетным напряжением, устанавливаемым путем статистической обработки результатов натурных наблюдений за проявлениями горного давления.

2 Функция неразрушимости крепи (обделки) однозначно находится путем решения математической задачи теории упругости для плоскости с круглым вырезом, подкрепленным в общем случае неоднородным (многослойным) кольцом, в прямой (определение несущей способности) и обратной (определение наибольшего начального расчетного напряжения) постановке.

3 Функция неразрушимости конструкции описывается нормальным законом распределения, для которой числовые характеристики случайных величин определяются путем обработки результатов натурных измерений проявлений горного давления с использованием метода наименьших квадратов.

4 Надежность многослойной круглой крепи горных выработок и обделок тоннелей рассчитываются с помощью выражения А.Н. Красовского, путем введения уточненных коэффициентов, полученных с использованием статистической обработки результатов натурных измерений произвольных компонентов напряженно-деформированного состояния в крепи (обделке).

Научная новизна основных результатов заключается в следующем:

- разработаны методологические положения оценки надежности крепи с использованием вероятностного подхода на основе решения плоской контактной задачи теории упругости для многослойного круглого кольца, подкрепляющего отверстие в линейно-деформируемой, однородной, изотропной среде, моделирующей массив пород, в обратной постановке, для определения фактических разру-

шающих напряжений в крепи, путем совместной обработки результатов разнородных измерений;

- на основе решения оценки надежности разработаны метод и алгоритм расчета многослойной крепи (обделки), позволяющие установить фактическую надежность крепи путем совместной обработки измерений произвольных компонентов напряженно-деформированного состояния, расположенных в пунктах измерения, имеющих произвольные радиальные и тангенциальные координаты;

- установлены зависимости фактической надежности крепи горных выработок и обделок подземных сооружений от прочностных характеристик материала крепи (обделок).

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе были использованы: методы математической теории упругости, теории вероятностей, математической статистики, программирования.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов диссертации подтверждается:

- использованием в качестве исходных данных характеристик геомеханического взаимодействия подземных конструкций с массивом горных пород, экспериментально полученных в натурных условиях;

- применением строгих аналитических решений, имеющих контроль правильности решений, а также абсолютной сходимостью результатов расчета одной и той же конструкции крепи при решении как прямой, так и обратной задач.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

- разработан алгоритм и компьютерное программное обеспечения для оценки фактической надежности крепи с использованием метода совместной обработки результатов натурных измерений разнородных компонентов НДС;

- обоснованы вероятностные подходы и критерии надежности крепи (обделки) с использованием функции характеристики безопасности.

Реализация результатов работы. Основные результаты исследований были использованы в Тульском государственном университете при выполнении НИР по федеральной и ведомственной целевой программе.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на IV, V, VI Международных конференциях «Проблемы геомеханики и механики подземных сооружений» (Тула, 2010, 2011, 2012 ), на 7-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (Тула, 2011), на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Тульского государственного университета (Тула, 2010, 2011, 2012).

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

1.1 Надежность подземных сооружений

В соответствии с ГОСТ 27.002-89 [29] под надежностью понимается свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств.

В соответствии с данным определением под надёжностью подземного объекта будем понимать его способность сохранять своё функциональное значение в течение установленного срока эксплуатации. Соответственно, основным показателем надёжности сооружения является вероятность его безотказной работы.

Отказ объекта - это полная или частичная утрата несущей способности его составных элементов.

Долговечность объекта - это его способность сохранять работоспособность в заданных условиях эксплуатации. В качестве основных показателей долговечности подземного объекта принимаются: ресурс; наработка до отказа, т.е. время безотказной работы от момента начала эксплуатации до наступления предельного состояния, соответствующего прекращению эксплуатации и реконструкции или ликвидации объекта; фактический срок службы. В соответствии с этим при проектировании подземных объектов необходимо нормирование вероятности безотказной работы сооружения в течение заданного срока эксплуатации. Допустимые значения показателей надёжности определяют в зависимости от последствий, к которым может привести отказ. Надёжность конструктивных элементов определяется как вероятность того, что за период эксплуатации их несущая способность не выйдет за допустимые пределы. В таблице 1.1 на основании анализа техниче-

ской литературы приведены допустимые значения вероятности безотказной работы подземного сооружения в зависимости от последствий отказа.

Таблица 1.1 - Допустимые значения вероятности безотказной работы подземного сооружения в зависимости от последствий отказа

Последствия отказа Допустимая вероятность безотказной работы

Катастрофические - полное разрушение объекта, разрушение оборудования, гибель людей = 1

Имеющие значительный экономический ущерб - приостановление работы объекта, выход из строя оборудования Р(5)> 0,99

Имеющие незначительный экономический ущерб -простои в работе объекта для ремонта Р(5)> 0,90

Практически без последствий - только незначительные затраты на ремонт Р(5')< 0,90

Общим вопросам надежности посвящена обширная литература [5, 8, 10, 32, 70, 130 и др]. Однако вопросы, посвященные рассмотрению надежности подземных сооружений, отражены в весьма ограниченном количестве научных публикаций.

В практике отечественного подземного строительства наибольшее внимание уделяется транспортным тоннелям, которые рассматриваются как капитальные сооружения, рассчитанные на длительный срок эксплуатации, не менее 100-150 лет. В течение этого периода они должны удовлетворять требованиям эксплуатационной надежности, обеспечивая безотказность, долговечность, сохраняемость и ремонтопригодность сооружения в целом и его составных частей, т.е. обеспечить способность сооружения выполнять заданные функции. Практика показывает, что в первые 10 лет эксплуатации тоннелей обычно никаких серьезных повреждений

конструкций и эксплуатационного оборудования не возникает. Через 15-25 лет наблюдаются некоторые дефекты. По истечении 50-70 лет отмечаются повреждения, являющиеся следствием неудачного проектирования и строительства, нарастает старение материалов конструкций тоннеля, происходят изменения в окружающем его грунте.

При этом не учитываются серьезные нарушения эксплуатационной надежности тоннелей, которые могут произойти практически в любое время вследствие стихийных природных явлений, несоблюдения условий безопасной эксплуатации, дефектов конструкций и эксплуатационного оборудования, а также несвоевременного проведения осмотров и ремонтов сооружения.

Факторы надёжности строительных технологий предупреждают возможные отказы в процессе строительства, такие как остановки, аварии, ущерб от негативных последствий. Эти факторы включают:

- концепции безопасности строительства подземного сооружения;

- разделение и предупреждение рисков в неопределённых, изменяющихся по трассе тоннеля или контуру сооружения инженерно-геологических условий;

- избыточность и компенсирование набора различных технологий и технических приёмов строительства;

- применение геофизических методов разведки для обнаружения опасных зон по трассе строительства;

- специальные методы и технологии, предотвращающие негативное влияние нарушенных зон на процесс ведения проходческих работ и осадку поверхности, повышающих устойчивость подземных выработок;

- методики подбора комплекса технологий и технических приёмов, снижающих возможные риски и последствия негативных ситуаций, а также повышающих надёжность строительства подземных сооружений.

Существуют четыре способа повышения надёжности при разработке различных компонентов и систем [34]:

- избыточность;

- простота;

- применение стандартных элементов с известной и проверенной надёжностью;

- работа элементов и систем не на полную мощность, что позволяет увеличивать срок службы оборудования, но при этом увеличивает продолжительность и стоимость строительства подземного сооружения.

Основным направлением повышения надёжности подземного объекта принято считать избыточность.

В качестве осно�