Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Совершенствование проектирования крепи вертикальных стволов с учетом геодинамической активности территории

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

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование проектирования крепи вертикальных стволов с учетом геодинамической активности территории"

На правах рукописи

АФАНАСЬЕВ Игорь Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КРЕПИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ С УЧЕТОМ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ТЕРРИТОРИИ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

18 АПР 2013

Тула 2013

005057518

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор КАЧУРИН Николай Михайлович

Официальные оппоненты:

САММАЛЬ Андрей Сергеевич, доктор технических наук, профессор, «Тульский государственный университет», кафедра «Механики материалов»;

ШЕЛЕПОВ Николай Валентинович, кандидат технических наук, ООО «СпецПромСтрой», руководитель проектной группы.

Ведущая организация: ОАО «Тульское научно-исследовательское геологическое предприятие» (ОАО «ТулНИГП»),

Защита диссертации состоится «/-7» _2013 г. в 1-ос ча-

сов на заседании диссертационного совета Д 212.271.09 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, д. 90, ауд. 220, 6-й уч. корпус.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные печатью организации, просим высылать по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92, Ученый совет ТулГУ, факс: (4872) 33-13-05, e-mail: galina_stas@mail.ru

Автореферат разослан «/5"» 2013 г

Ученый секретарь диссертационного сов-

Андрей Борисович Копылов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Многие месторождения полезных ископаемых находятся в зонах сейсмической активности. Месторождения разрабатываются преимущественно подземным способом, при котором вскрытие осуществляется с помощью вертикальных стволов. Подземные сооружения, в частности, вертикальные стволы горных выработок, являются чрезвычайно важными и ответственными сооружениями. Стоимость их сооружения велика, а выход из строя сопряжен с большими экономическими потерями.

Проектирование, строительство и эксплуатация подобных сооружений требуют обоснованног о подхода к анализу воздействия сейсмических нагрузок на различные типы конструктивных элементов сооружений, определения их напряженного к деформированного состояний с целью разработки и совершенствования методов расчета их сейсмичности.

Несмотря на то, что существуют карты сейсмического районирования территории РФ (ОСР-97), согласно которым строятся любые сооружения, в т.ч. подземные, даже на относительно спокойных в геологическом отношении равнинных территориях имели место и возможны в будущем достаточно сильные и разрушительные землетрясения.

В связи с этим важной задачей является непрерывный мониторинг уровня сейсмической опасности с целыо принятия необходимых административных и технических мероприятий для предотвращения повреждения крепи вертикальных стволов.

Таким образом, исследования, посвященные совершенствованию проектирования крепи с учетом геодинамической активности территории строительства, являются актуальной научной проблемой.

Целью работы являлось уточнение закономерностей геодинамической активности территории, влияющее на прогноз напряженно-деформированного состояния горного массива, с целью учета сейсмических нагрузок на крепь вертикальных стволов, что обеспечит повышение уровня инженерных решений при проектировании крепи стволов.

Идея работы заключается в том, что усовершенствованная методика расчета крепи вертикальных стволов учитывает дополнительную прогнозную нагрузку, обусловленную динамикой фиксируемых сейсмособытий на рассматриваемой территории.

Основные научные положения, выносимые автором на защиту:

- геодинамическая активность территории прогнозируется на основе уравнения макросейсмического поля Н.В. Шебалина с учетом свойств горных пород, при этом величина геодинамического очага в сферическом приближении является функцией магнитуды, прогнозируемой методом сингулярного разложения;

- при построении прогнозных значений сейсмичности методом сингулярного разложения для формализации идентификации шумовой компоненты ряда следует проводить построение корреляционной матрицы между восстановленными компонентами ряда и исходным рядом, что повышает качество прогноза;

- условное сейсмическое ускорение частиц пород является функцией интенсивности и определяется на основе построения прогнозных значений маг-нитуды методом сингулярного разложения, что позволяет рассчитывать прогнозные значения нормальных тангенциальных напряжений от действия продольных и поперечных волн при оценке напряженного состояния крепи.

Новизна разработанных научных положений заключается в следующем:

- усовершенствована математическая модель на основе метода сингулярного разложения, которая позволяет использовать его в автономном режиме для анализа и построения прогнозных значений тренда временных рядов;

- при построении прогнозных значений уровня геодинамической активности на рассматриваемой территории методом сингулярного разложения использован не одномерный, а двумерный временной ряд, что повысило качество прогноза;

- разработан комплекс программных средств, позволяющий автоматизировать процесс расчета напряжений в крепи с учетом прогнозируемого уровня геодинамической активности, а также проводить вычислительные эксперименты при моделировании различных уровней сейсмичности и типов крепи вертикальных стволов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- корректной постановкой задач исследований и использованием классических методов математической физики, математической статистики и теории вероятностей и современных компьютерных технологий;

- анализом и обработкой достаточно большого объема имеющихся в свободной доступе данных фактических сейсмособытий на рассматриваемой территории, показаний каналов сейсмографа станции «Талая» и вычислительных экспериментов, результаты которых свидетельствуют об адекватности применяемой модели для построения прогнозных значений тренда геодинамической активности, а также обоснованности выводов и рекомендаций;

Практическая значимость работы заключается в том, что использование метода сингулярного разложения позволяет прогнозировать динамику сейсмособытий, а разработанный комплекс программных средств позволяет оперативно производить расчеты напряжений в крепи с учетом прогнозируемого уровня сейсмической опасности и принимать решения о необходимости технических решений на стадии проектирования с целью предотвращения повреждений крепи.

Практическая реализация выводов н рекомендации. Основные научные н практические результаты диссертационной работы, реализованные в виде комплекса программных средств, использованы при ретроспективной оценке уровня сейсмической опасности ОАО «Тыретский солерудиик». Комплекс программных средств используется в учебном процессе для студентов, обучающихся по специальности «Горное дело», в ТулГУ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научных семинарах кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений Тульского государственного университета (г. Тула, 2010-2012 гг.); ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений Тульского государственного университета (г. Тула, 2010-2012 гг.); I Всероссийской научно-технической конференции «Современные информационные технологии в деятельности органов государственной власти», «Информтех-2008» (г. Курск, 2008г.); Международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики и информатики» (г. Тула, 2007-2011 гг.); Международной конференции "Аналитические методы расчета инженерных конструкций подземных сооружений", посвященной 80-летию профессора Н.С.Булычева; Международной научной конференции «Геомеханика. Механика подземных сооружений»; 8-я Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики».

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 7 статей.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из 5 глав, изложенных на 141 страницах машинописного текста, содержит 44 иллюстрации, 30 таблиц, список литературы из 109 наименований.

Автор выражает благодарность д-ру. техн. наук, профессору Н.С. Булычеву за методическую помощь и организационную поддержку при проведении исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Впервые сведения о поведении подземных конструкций при землетрясениях были обобщены В.Ф. Кожиновым, P.M. Мукурдумовым, Н.О. Оразымбетовым, М.М. Сердюковым, С.А. Шаниным. Обоснование эффективных методов определения сейсмического воздействия на подземные горные выработки содержатся в трудах В.О. Цшохера, В.А. Быховского, М.И. Дандурова. Вопросы определения сейсмостойкости тоннелей рассматривали Т.Р. Рашидов, A.A. Ижанходжаев, Ж.К. Масанов, Ш.Н. Айталиев, В.А. Ильичев, Ж.С. Ержанов и др. Сложность расчета подземных конструкций на сейсмическое воздействие связана с выявлением механизма их взаимодействия с продольными и поперечными волнами, сейсмостойкость сооружений

глубокого заложения (шахтных стволов) - с воздействием длинных сейсмических волн. В этом случае динамическую задачу взаимодействия сооружения с длинными волнами можно свести к квазистатической задаче о механическом состоянии породного массива с подземным сооружением. Фотиева H.H., используя квазистатический подход, разработали методику расчета обделок тоннелей, в том числе - некругового поперечного сечения, на сейсмическое воздействие. Булычев Н.С. применил указанную методику для расчета многослойной крепи стволов тоннелей круглого поперечного сечения. Задача совершенствования методики расчета подземных сооружений на сейсмическое воздействие не теряет своей актуальности на протяжении всего периода существования подземной разработки месторождений полезных ископаемых. Анализ основных научных и практических результатов, полученных сотрудниками ТулГУ, послужил основой для определения цели, идеи и основных задач исследований.

Цель и идея работы, а также современное состояние знаний по рассматриваемой проблеме обусловили необходимость постановки и решения следующих задач исследований.

1. Обобщение базы данных по геодинамической активности территории и обоснование методики регистрирования сейсмособытий.

2. Разработка методики прогнозирования геодинамической активности на основе временных рядов геодинамических данных и разработка математической модели для получения прогнозных данных.

3. Выбор и обоснование базовой методики расчета крепи вертикальных стволов и разработка методических положений учета прогнозных геодинамических нагрузок на крепь.

4. Разработка алгоритмов и комплекса программных средств для оценки геодинамической активности и расчета крепи вертикальных стволов.

5. Проведение вычислительных экспериментов и практическая апробация усовершенствованной методики расчета крепи вертикальных стволов.

Сейсмическое районирование актуально для всей без исключения территории России, где даже на относительно спокойных в геологическом отношении равнинных территориях имели место и возможны в будущем достаточно сильные и разрушительные землетрясения. Значительную площадь занимают чрезвычайно опасные в сейсмическом отношении 8-9 балльные зоны. Сейсмический эффект, указанный на каждой из карт комплекта ОСР-97, отнесен к средним грунтовым условиям (грунты II категории по сейсмическим свойствам согласно СНиП II-7-81*) и может быть уточнен в результате исследований по сейсмическому микрорайонированию. В качестве исследуемой территории в данной работе рассматривается п. Тыреть Иркутской области, где расположен один из крупнейших солерудников РФ.

Основным инструментом определения исходной интенсивности землетрясений является уравнение макросейсмического поля Н.В. Шебалина. Однако данное уравнение согласуется с интенсивностью лишь в ближней зоне от

б

очага, что не позволяет с достаточной достоверностью сопоставить балльность землетрясений с их инструментальными характеристиками для района Прибайкалья:

/ = 1,5М-З,5^л/Л2 +Н2 +3 , (1)

где М - магнитуда; А - эпицентрапьное расстояние; Я - глубина гипоцентра; г = 7д2 + Н2 - гипоцентральное расстояние; Б,С - региональные эмпирические коэффициенты, описывающие затухание интенсивности сотрясений с увеличением эпицентрального расстояния. Эта формула справедлива для магнитуд 5 баллов и выше.

Если принимать в расчет свойства горных пород Прибайкалья, то на основании экспериментальных результатов зависимость изменения интенсивности с удалением от очага землетрясения в области опасных и ощутимых сейсмических нагрузок можно представить в виде

/ = 1 / 2(0,125иК1лх )г рЫ [1^1 (Ш„ + Я,)]", (2)

где и^х - значение скорости, равное 0,7...0,8 м/с; рЬ - среднее волновое сопротивление среды, составляющее 0 107 кг/(м2с); /?,,= 0,0185-10° ^" -размер очага в сферическом приближении; = + В, О - гипоцентральное расстояние. Показатель р = 1 при II <8Л0, р = 3 при Я, < 8Л„ .

При составлении уравнения сейсмического режима находятся промежутки времени (периоды повторяемости) 1], соответствующие сейсмическим событиям целочисленной силы /( в пункте строительства. По данным В.И. Уломова, в интересующем нас пункте землетрясения силой 6 баллов происходят в среднем с интервалом 75 лет, 7 баллов - 350 лет, 8 баллов - 750 лет, 9 баллов - 5000 лет. Соотношение между десятичным логарифмом промежутка времени Г между землетрясениями и силой толчка I в баллах можно аналитически представить в виде зависимости. По найденным парам чисел (/,,?]) находим коэффициенты корреляционного уравнения логарифмического типа (уравнения сейсмического режима) для рассматриваемой территории

/ = а + 6^Г = 2,6 + 2,1^7\ (3)

где а, Ъ - эмпирические коэффициенты уравнения сейсмического режима; Т -средний промежуток времени, измеряемый в годах, между землетрясениями силой I для рассматриваемой территории.

По зависимости (3) находим уточненную силу землетрясения /, соответствующую заданному промежутку времени Т = 500, 1000 или 5000 лет между толчками расчетной силы или допустимому риску в размере 90, 95 или 99 % непревышения расчетного сейсмического воздействия за 50 лет эксплуатации сооружения.

Уточненная по уравнению (3) сила землетрясения отличается от сейсмичности района по выбранной карте ОСР-97 на положительную или отрица-

тельную величину <И. По приращению балльности сН определяется поправка на сейсмический режим в виде множителя к нормальным амплитудным характеристикам колебаний грунта при толчке, сила которого указана на выбранной карте ОСР-97. Поправочный коэффициент находят по формуле

Кср= 2\ (4)

где <И - приращение балльности в десятых долях целого балла.

Подставляя в уравнение сейсмического режима значение интервала времени Т = 1000 лет, находим / = 8,9 балла. Следовательно, с заданной вероятностью непревышения (95 % за 50 лет эксплуатации) в пункте строительства происходят толчки силой 8,9 балла по шкале М8К-64. Эта оценка относится к участкам, сложенным средними по сейсмическим свойствам пород. Поправка на сейсмический режим в виде множителя К к ускорению колебаний грунта, а также скорости и перемещению грунта при толчке силой 8 баллов вычисляется следующим образом. По формуле (4) при <11 = 0,9 находим Кс р =1,86. Таким образом, поправка на сейсмический режим в данном случае увеличивает исходное сейсмическое воздействие на 86 %.

Перевод сейсмической интенсивности / (баллы) в пиковые ускорения А (см/с/с) можно осуществлять по лимитирующим нижний и верхний пределы величинам ускорений

л «п0,30Ы-0.107 А _ . лО.ЗЗЗ/-0.222 /О

ллшг_1и > анл-91 ■ ^

Первая зависимость в (5) предписана СНиП 11-7-81* в соответствии со шкалой МБК-64 и принимается в качестве нижнего предела, а вторая была предложена Уломовым В.И. для территории Северной Евразии. В данном случае величина Лшк =3,7 (м/с2), а Ляи_91 =5,5 (м/с2). Условное сейсмическое ускорение частиц породы с учетом Кср составит 0,37£, по формулам (5)

интервал составит [0,37g ; 0,56g].

В таблице приведены расчетная интенсивность по всем трем вышеприведенным уравнениям, интенсивность сотрясений согласно картам ОСР-97 и уточненная интенсивность согласно уравнению сейсмического режима данной территории.

Проведенный анализ сейсмического районирования показывает, что на рассматриваемой территории возможны землетрясения с интенсивностью 8,9 балла. ОАО «Тыретский солерудник» проектировался с учетов сейсмического районирования ОСР - 68 и ОСР 78 при уровне сейсмической опасности в 8 баллов.

Для прогнозирования динамики геодинамической активности на рассматриваемой территории используются два типа данных: данные фактических сейсмособытий и данные показаний сейсмографа сейсмостанции.

Уточнение интенсивности сотрясений п. Тыреть

Географические координаты п. Тыреть Максимальная зафиксированная интенсивность по шкале М5К-64 в период с 1725 по 2011гг. Максимальная интенсивность по шкале MSK-64 согласно карте ОСР-78 СНиПП-А.12-69* Максимальная интенсивность по шкале MSK-64 согласно карте ОСР - 97 СНиП II-7-81 * Уточненная сей-мичность

Широта Долгота

53,400 102,19 ° 7,1 6 А В С 8,9

7 7 8

С помощью базы данных организации "U.S.Geological Survey" (USGS) мы располагаем данными по сейсмособытиям на территории Российской Федерации. Для анализа извлекались сведения из базы данных "EARTHQUAKE DATA BASE" Preliminary Determinations of Epicenters (PDE). Глобальная сеть сейсмических станций (IRIS - «глобальные сейсмические наблюдения Земли») включает более чем 150 станций по всему миру. Все они объединены в единую информационную сеть с помощью Интернета, которая обеспечивает доступ к данным каждой из станций в режиме реального времени.

Байкальская региональная сейсмическая сеть (международный код BYKL) включает 23 сейсмические станции. Центральная сейсмическая станция "Иркутск" - опорная станция сейсмической сети ГС РАН. Она является региональным центром сбора и обработки материалов наблюдений по данным станций региона в срочном и оперативном режимах на территории с координатами 48°...60° с.ш.; 96°...122° в.д. Участвует в службе срочных и оперативных донесений ГС РАН, ГС СО РАН. Сейсмическая станция "Талая" (международный код TLY) входит в телесейсмическую сеть ГС РАН, которая интегрирована в систему глобальных сейсмических наблюдений земного шара. Остальные станции экспедиции - региональные. Цифровая сейсмическая станция IRIS: Streckeisen Model STS-1/VBB 3-компонентная система для широкополосных, длиннопериодных и сильно длиннопериодных каналов.

Для построения прогнозных значений уровня интенсивности сотрясений воспользуемся методом сингулярного разложения. Базовый алгоритм состоит из четырех шагов. Первые два шага образуют этап разложения, а последние два - этап восстановления. После диагонального усреднения и последующего продолжения появляется возможность построения прогноза двумерного ряда. При рекуррентном прогнозировании диагональное усреднение используется для получения восстановленного ряда, к последним точкам которого затем применяется линейная рекуррентная формула. Входные данные для алгоритма: временной ряд FN = (/0,...,/„_,), N > 2 , длина окна L, 1 <L<N , число М точек прогноза. Используя введенные обозначения, определим временной ряд по формулам

gi = i

fi для i = 0,..., N -1, L-1

7=1

для i = ...,iV + M-l.

(6)

Числа g„,■.■,gN^.M-) образуют М членов рекуррентного прогноза. Полученное разложение может служить основой прогнозирования как самого ряда, так и его отдельных составляющих. Прогноз временного ряда сейсмической активности представлен на рис. 1.

.И

13® ш

Рис. 1. Анализ двумерного временного ряда и экстраполя11ия тренда фактических сейсмособытий на 150 отсчетов вперед

Для построения доверительных интервалов для прогнозных значений аддитивной составляющей временного ряда используется бутстреп моделирование, основанное на размножении выборки. Путем моделирования S независимых реализаций аддитивной компоненты исходного ряда и применения процедуры прогноза к полученным 5 независимым рядам, получаем выборку прогнозных значений аддитивной компоненты. Когда выборка получена, вычисляется верхний и нижний квантили по заданному доверительному уровню и получается соответствующий доверительный интервал для прогноза геодинамического воздействия.

При землетрясении в породах возникают продольные волны сжатия-растяжения и поперечные волны сдвига. Особенностью сейсмических волн является их большая длина, которая много больше поперечного сечения подземного сооружения.

При проектировании вертикальных стволов учитываются геологические особенности территории. Так, в сложных горно-геологических условиях используется многослойная крепь. Общий подход при проектировании крепи

стволов с учетом геодинамической активности территории учитывает длинноволновый характер воздействий, предложенный H.H. Фотиевой и Н.С. Булычевым, и состоит в определении наиболее неблагоприятного напряженного состояния в каждом внутреннем контуре каждого слоя крепи при различных сочетаниях действия продольных и поперечных волн. Поскольку направление распространения волн заранее не известно, то оценка напряженного состояния крепи производится при таком угле падения волн по отношению к оси симметрии выработки, при котором значения нормальных тангенциальных напряжений будут максимальны по модулю.

Для продольных и поперечных волн указанные напряжения определяются из решения двух плоских квазистатических задач теории упругости для среды, ослабленной несколькими отверстиями и нагруженной напряжениями на бесконечности

^ = AK{yvpTü, = AKjvsTa, (7)

min min

где А - условное сейсмическое ускорение частиц пород в долях g, AT, - коэффициент, учитывающий допускаемые повреждения обделок, Тв - преобладающий период собственных колебаний частиц породы, vp - скорость продольной волны, vs - скорость поперечной волны.

Напряжения от совместного действия одновременно приходящих продольных и поперечных волн определяются как сумма и разность указанных решений. Напряжения на внешних контурах слоев определяются при таком сочетании и направлении разнохарактерных волн, при которых в данном сечении нормальные тангенциальные напряжения на внутреннем контуре максимальны по модулю. Найденные напряжения принимаются со знаками «+» и «-» и суммируются с напряжениями от других видов нагрузок.

Условное сейсмическое ускорение частиц пород в выражениях (7) определяется следующим образом

Л = 0,8-2' при 0,1 < Т <0,5с;

0 4 . (8)

А = —— -2 при 0,5 <Т < 1,5с, Т

где

1 / 2(0,125 • (K^pU^ ))z pb [0,0185- 10°'43М/(9-0,0185-10°'4W + D]p ' М - прогнозируемая величина тренда магнитуды согласно методу сингулярного разложения.

Существуют несколько способов определения преобладающих периодов колебаний грунтов. Один из них основан на результатах инструментальных наблюдений при землетрясениях. Здесь преобладающий период находится по данным происшедших землетрясений. Однако анализ таких данных показы-

вает, что преобладающий период может иметь разные значения, в зависимости от силы землетрясения. В рассматриваемом слу чае интервал значений составил порядка 0,4... 1,5 с.

Для расчета напряжений на крепь с учетом прогнозируемого уровня сейсмичности создано специальное программное обеспечение Lining Calculator. Его интерфейс приведен на рис. 2 . В состав комплекса входит модуль для анализа и построения временных рядов на основе каналов сейсмографа и преобразования в детектор STA/LTA, а также построения временного ряда фактических сейсмособытий и подготовки файла для построения прогнозных данных методом сингулярного разложения.

«jt «toj» w»

I

Рис. 2. Результаты вычислений в программе «Lining Calculator»

Для автоматизации инженерно-технических расчетов в комплексе есть модуль расчета различных типов крепи на основе прогнозируемого уровня геодинамической активности.

В качестве примера для расчетов в данной рабо те рассматриваются вертикальные стволы (основной и вспомогательный) предприятия ОАО «Тырет-ский солерудник». Крепь стволов - чугунные тюбинги и монолитный бетон. Породы - доломит, илистые отложения и каменная соль. В доломите и илистых отложениях используются тюбинги российского и польского производства, а в каменной соли - монолитный бетон. Разработанные математические модели и комплекс программных средств позволили рассчитать ожидаемые напряжения для различных типов крепи в различных породах с учетом прогнозируемого значения интенсивности сейсмических колебаний.

Результаты расчета напряжений с учетом прогнозируемого уровня интенсивности сейсмических колебаний территории п. Тыреть в 8,9 баллов по

шкале МБК-64 для различных типов крепи предприятия ОАО «Тыретский солерудник» в различных породах показали следующее:

- крепь из российских тюбингов в доломите показала достаточную прочность при сейсмическом воздействии. Запас прочности в ребрах тюбингов составил 1,05 для наружного контура и 1,4 для внутреннего контура. Запас прочности для спинки составил 1,34 для наружного контура, 1,15 - для внутреннего;

- крепь из польских тюбингов в доломите имеет незначительный дефицит прочности при сейсмическом воздействии. Так, запас прочности в ребрах тюбингов составил 1,23 для наружного контура, а для внутреннего контура имеет место превышение допустимых нагрузок на 10 %. Запас прочности для спинки составил 1,23 для наружного контура, а для внутреннего контура имеет место превышение допустимых нагрузок на 8 %;

- крепь из российских тюбингов в илистых отложениях показала достаточную прочность при сейсмическом воздействии. Запас прочности в ребрах тюбингов составил 1,66 для наружного контура и 1,5 - для внутреннего контура. Запас прочности для спинки составил 1,79 для наружного контура, 1,7 -для внутреннего;

- крепь из польских тюбингов в илистых отложениях показала достаточную прочность при сейсмическом воздействии. Запас прочности в ребрах тюбингов составил 1,56 для наружного контура и 1,41 для внутреннего контура. Запас прочности для спинки составил 1,61 для наружного контура, 1,73 - для внутреннего;

- монолитная бетонная крепь в соленой породе показала достаточную прочность при сейсмических нагрузках. Так, запас прочности составил 1,13 для внутреннего контура и 1,16 для наружного контура. Значения продольной силы подтвердили, что условие прочности крепи выполняется (продольная сила не превышает предельных значений).

На рис. 3 представлена общая функциональная схема анализа и прогноза геодинамической активности для территории расположения подземного сооружения. Если полученный прогнозируемый уровень сейсмической опасности превышает нормативный, то производится расчет крепи с учетом прогнозируемого уровня сейсмичности и рассчитываются нагрузки на крепь. Если полученные нагрузки превышают предельные, то определяется комплекс административных и технических мероприятий по предотвращению повреждения крепи, оборудования и угрозы для персонала.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы, реализованные в виде комплекса программных средств, использованы при ретроспективной оценке уровня сейсмической опасности ОАО «Тыретский солерудник». Комплекс программных средств используется в учебном процессе для студентов, обучающихся по специальности «Горное дело».

Сбор исходных Обработка , Анализ Прогноз уровня АДлгшиьлра игань:е

данных исходных данньгх временных рядов сейсмической HfV 1 • t . шехдаческме м^ояряян«

ошсшсти

USOS, IRIS, Lining Calculator Caíafp Hat ЗА " >■

ОСР-97 1 4J4

Несущая способность крепи до ста то таз

Несущая способность крел.и

недостаточна

Изменение

уровня ,i - g : eeñcsm»me ;

CTR

Рис. 3. Функциональная схема анализа и прогноза геодинамической активности для рассматриваемой территории

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований уточнены закономерности проявления геодинамической активности рассматриваемой территории и усовершенствована методика расчета крепи вертикальных стволов, учитывающая динамику региональной сейсмичности, что повышает устойчивость вертикальных стволов в сейсмически активных регионах.

Основные выводы и практические рекомендации диссертационной работы заключаются в следующем

1. Усовершенствована методика расчета крепи вертикальных стволов, позволяющая учитывать дополнительную прогнозную нагрузку, обусловленную динамикой фиксируемых сейсмособытий на рассматриваемой территории.

2. Использование метода сингулярного разложения при прогнозировании сейсмической активности показало свою эффективность для решения подобных задач и является более предпочтительным в связи с тем, что метод не требует стационарности ряда, знания модели тренда, позволяет обрабатывать два временных ряда одновременно, что увеличивает достоверность полученных результатов.

3. При построении прогнозных значений сейсмичности методом сингулярного разложения для формализации идентификации шумовой компоненты ряда следует проводить построение корреляционной матрицы не только между восстановленными компонентами ряда, но и между исходными рядами.

4. При определении нормальных и касательных напряжении необходимо рассматривать не средний преобладающий период собственных колебаний породы, а проводить расчеты периода для каждого слоя породы.

5. Интервал значений для условного сейсмического ускорения частиц пород на рассматриваемой территории согласно равенствам В.И. Уломова и СНиП Н-7-81* составил [0,30,56й]. При динамическом определении значения условного сейсмического ускорения на основе построения прогнозных значений магнитуды методом сингулярного разложения было зафиксировано максимальное значение в размере 0,47ё, что укладывается в вышеуказанный интервал.

6. При расчете величины интенсивности с учетом свойств горных пород скорость распространения частиц ит!Я пород необходимо также корректировать на поправочный коэффициент Кср, величина которого составила 1,86, что в рассматриваемом случае увеличивает исходное сейсмическое воздействие на 86 %.

7. Разработан комплекс программных средств для расчета вертикальных стволов с различными типами крепи на горное давление и сейсмические нагрузки, позволяющий определять напряжения, действующие на крепь, при прогнозируемом уровне сейсмичности. Проведенные вычислительные экс-

перименты показали адекватность усовершенствованной методики расчета крепи вертикальных стволов и возможность ее практического применения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1.Качурин Н.М., Афанасьев И.А. Определение вероятности геодинамического риска для подземного сооружения // Известия ТулГУ. Естественные науки. 2011. Вып. 3. С. 262-268.

2. Афанасьев И. А. Адаптация метода "Гусеница" - SSA для работы в автономном режиме при прогнозировании сейсмособытий // Известия ТулГУ. Естественные науки. 2010. Вып. 2 . С. 150-155.

3. Афанасьев И.А. Вероятность геодинамического риска для подземного сооружения // Международная научная конференция «Аналитические методы расчета инженерных конструкций подземных сооружений»: материалы конференции / ТулГУ. Тула, 2012. С. 12-14.

4. Качурин Н.М., Афанасьев И.А., Лукашин С.Б. Оценка геодинамического риска при проектировании подземных сооружений. // Международная научная конференция «Аналитические методы расчета инженерных конструкций подземных сооружений»: материалы конференции / ТулГУ. Тула, 2012. С. 54-59.

5. Качурин Н.М., Деев П.В., Афанасьев И.А., Лукашин С.Б.. Оценка сейсмических нагрузок на крепь стволов ОАО «Тыретский солерудник» // Международная научная конференция «Аналитические методы расчета инженерных конструкций подземных сооружений»: материалы конференции / ТулГУ. Тула, 2012. С. 59-64.

6. Качурин Н.М., Афанасьев И.А., Лукашин С.Б. Математическое моделирование сейсмических нагрузок на крепь стволов ОАО «Тыретский солерудник» // Международная научная конференция «Аналитические методы расчета инженерных конструкций подземных сооружений»: материалы конференции / ТулГУ. Тула, 2012. С. 64-68.

7. Качурин Н.М., Афанасьев И.А., Лукашин С.Б. Определение вероятности сейсмического риска для подземного сооружения // Известия ТулГУ. Естественные науки. 2012 . Вып. 1, 4.2 . С. 159-164.

Изд. Лиц. ЛР №020300 от 12.02.97. Подписано в печать Формат бумаги 60x84 ^б . Бумага офсетная.

Усл.печ.л. 1,5. Уч.-изд.л. 1,3. Тираж 100 экз. Заказ 39 Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, пр.Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГу. 300600, г. Тула, пр. Ленина, 95

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Афанасьев, Игорь Александрович, Тула

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Тульский государственный университет

На правах рукописи

04201355652

АФАНАСЬЕВ Игорь Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КРЕПИ

ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ С УЧЕТОМ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ТЕРРИТОРИИ

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

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - д.т.н., профессор Н.М. Качурин

Тула 2013

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

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................................................................................8

1.1. Методика расчета воздействий на крепь........................................................8

1.2. Обзор метода прогнозирования временных рядов «ББА»..............17

1.3. Методы оценки сейсмического риска..............................................................22

1.4. Обоснование выбора стволов шахт предприятия ОАО «Тыретский солерудник» в качестве объекта исследований ... 32

Выводы......................................................................................................................................................32

Цели и задачи диссертации........................................................................................................33

2. АНАЛИЗ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ДАННЫХ П.ТЫРЕТЬ ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ..................................................................................................34

2.1. Анализ сейсмического районирование территории п. Тыреть Иркутской области РФ....................................................................................................34

2.2. Анализ статистических данных сейсмособытий на территории Иркутской области РФ с помощью базы данных Ш08..................................................................................................................................................44

2.3. Анализ данных сейсмографов Байкальского филиала геофизической службы РАН РФ............................................................................48

2.4. Уточнение сейсмичности территории п. Тыреть....................................54

Выводы....................................................................................................................................................66

3. ОЦЕНКА УРОВНЯ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ ДЛЯ

ПОДЗЕМНОГО СООРУЖЕНИЯ..............................................................................67

3.1. Анализ двумерного временного ряда геодинамических

данных методом сингулярного разложения..........................................67

3.1.1. Построение матрицы наблюдений......................................................69

3.1.2. Анализ и выбор главных компонент................................................69

3.1.3. Восстановление ряда по выбранным компонентам............75

3.2. Прогнозирование временного ряда данных сейсмособтий методом сингулярного разложения................................. 79

3.3. Формализация идентификации шумовых компонент при анализе временного ряда методом сингулярного разложения................................................................. 83

Выводы........................................................................... 89

4. РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ КРЕПИ ДЛЯ ШАХТЫ ОАО «ТЫРЕТСКИЙ СОЛЕРУДНИК» С УЧЕТОМ ПРОГНОЗИРУЕМОГО УРОВНЯ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ................................................................ 90

4.1. Расчет тюбинговой крепи в доломите..............................................................91

4.2. Расчет тюбинговой крепи в илистых отложениях................................103

4.3. Расчет монолитной бетонной крепи в солевых породах..................107

Выводы......................................................................................................................................................121

5 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПО АНАЛИЗУ И ПРОГНОЗУ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ НА ОАО «ТЫРЕТСКИЙ СОЛЕРУДНИК».......................... 123

5.1. Методические положения динамического прогноза вероятности сейсмической опасности с помощью метода «SSA»...................................................................... 123

5.2. Методические положения расчета нагрузки на крепь с прогнозируемым уровнем сейсмической опасности с помощью программного обеспечения Lining Calculator......... 128

Выводы........................................................................... 132

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................. 133

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ..................... 135

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Многие месторождения полезных ископаемых находятся в зонах сейсмической активности. Месторождения разрабатываются преимущественно подземным способом, при котором осуществляется строительство капитальных выработок. Подземные сооружения, в частности, вертикальные стволы различных горных выработок, являются чрезвычайно важными и ответственными сооружениями. Стоимость их сооружения велика, а время проходки может достигать не одно десятилетие.

Проектирование, строительство и эксплуатация подобных сооружений требует обоснованного подхода к анализу воздействия сейсмических нагрузок на различные типы конструктивных элементов сооружений, определения их напряженного и деформированного состояний с целью разработки и совершенствования методов расчета их сейсмичности.

Не смотря на то, что существуют карты сейсмического районирования территории РФ (ОСР-97), согласно которым строятся любые сооружения, в т.ч. подземные, даже на относительно спокойных в геологическом отношении равнинных территориях имели место, и возможны в будущем, достаточно сильные и разрушительные землетрясения.

В связи с этим, важной задачей является непрерывный мониторинг уровня сейсмической опасности, с целью принятия необходимых административных и технических мероприятий для предотвращения повреждения крепи подземных сооружений.

Таким образом, исследования, посвященные совершенствованию методики расчета крепи с учетом геодинамической активности территории строительства являются актуальной научной проблемой.

Целью работы являлось уточнение закономерностей динамики геодинамической активности территории, влияющее на напряженно - деформированное состояние горного массива для учета сейсмических нагрузок на крепь вертикальных стволов, что обеспечит повышение уровня безо-

пасности подземного сооружения.

Идея работы заключается в том, что усовершенствованная методика расчета крепи вертикальных стволов учитывает дополнительную прогнозную нагрузку, обусловленную динамикой фиксируемых сейсмособытий на рассматриваемой территории.

Основные научные положения, защищаемые автором, сформулированы следующим образом:

- интенсивность землетрясений рассчитывается согласно уравнениям макросейсмического поля Н.В. Шебалина, с учетом свойств горных пород, при этом величина размера очага в сферическом приближении является функцией магнитуды, прогнозируемой методом «Б8А»;

- при построении прогнозных значений сейсмичности методом «88А» для формализации идентификации шумовой компоненты ряда следует проводить построение корреляционной матрицы не только между восстановленными компонентами ряда, но и между исходным рядом;

- условное сейсмическое ускорение частиц пород является функцией интенсивности и определяется на основе построения прогнозных значений магнитуды методом сингулярного разложения.

Новизна основных научных и практических результатов заключается в следующем:

- предложена математическая модель на основе метода сингулярного разложения, которая позволяет использовать его в автономном режиме для прогнозирования временных рядов;

- использован метод сингулярного разложения для построения прогнозных значений уровня геодинамической активности на рассматриваемой территории;

- разработан комплекс программных средств, позволяющий автоматизировать процесс расчета напряжений для различных типов крепи с учетом прогнозируемого уровня геодинамической активности, а также проводить вычислительные эксперименты при моделировании различных уровней

сейсмичности и типа крепи.

Практическая значимость работы заключается в том, что использование метода сингулярного разложения позволяет прогнозировать динамику сейсмособытий, а разработанный комплекс программных средств позволяет оперативно производить расчеты напряжений в крепи учетом прогнозируемого уровня сейсмической опасности и принимать решения о необходимости технических и административных действий для предотвращения повреждений крепи, оборудования и персонала.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- корректной постановкой задач исследований и квалифицированным применением классических методов математической физики, математической статистики и теории вероятностей и современных достижений вычислительной техники;

- достаточно большим объемом лабораторных и вычислительных экспериментов, результаты которых свидетельствуют об адекватности разработанных моделей и обоснованности выводов и рекомендаций;

- значительным объемом базы данных USGS фактических сейсмособытий на рассматриваемой территории, значительным объемом базы данных IRIS показаний каналов сейсмографа станции «Талая», а также по результатам анализа сейсмического районирования п. Тыреть;

Внедрение результатов исследований. Основные научные и практические результаты диссертационной работы, реализованные в виде комплекса программных средств, использованы при ретроспективной оценке уровня сейсмической опасности ОАО «Тыретский солерудник». Комплекс программных средств используется в учебном процессе для студентов, обучающихся по специальности «Горное дело».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научных семинарах кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений Тульского государственно-

го университета (г. Тула, 2010 - 2012 гг.); ежегодных научно - практических конференциях профессорско-преподавательского состава сооружений Тульского государственного университета (г. Тула, 2010 - 2012 гг.); I Всероссийская научно-техническая конференция «Современные информационные технологии в деятельности органов государственной власти». «Ин-формтех-2008». Курск 2008; Международная научная конференция «Современные проблемы математики, механики и информатики» (г. Тула, 2007-2011); Международная конференция "Аналитические методы расчета инженерных конструкций подземных сооружений", посвященная 80-летию профессора Н.С.Булычева; Международная научная конференция «Геомеханика. Механика подземных сооружений»; 8-я Международная Конференция по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики».

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 статей.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из 5 глав, изложенных на 145 страницах машинописного текста, содержит 43 иллюстрации, 29 таблиц, список литературы из 109 наименований.

Автор выражает благодарность д.т.н., профессору Н.С. Булычеву за методическую помощь и организационную поддержку при проведении исследований.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Методы расчета сейсмического воздействия на крепь

Сегодня подземные сооружения чрезвычайно распространены. Это и различные городские коммуникации - водопровод, газопровод, канализация, и различные промышленные сооружения - транспортные, гидротехнические, месторождения полезных ископаемых. Примерно 40 % территории Российской Федерации находится в зоне сейсмической активности, характеризующейся уровнем сейсмичности 6 баллов по шкале М8К-64 и выше [57].

Проектирование, строительство и эксплуатация подобных сооружений требует обоснованного подхода к анализу воздействия сейсмических нагрузок на различные типы конструктивных элементов сооружений, определения их напряженного и деформированного состояний с целью разработки и совершенствования методов расчета их сейсмичности [10].

Крепь (обделка) выработки в процессе ее строительства и эксплуатации подвергается различным нагрузкам и воздействиям, которые согласно действующим строительным нормам [68] делят по продолжительности действия на постоянные и временные (длительные, кратковременные и особые).

К постоянным нагрузкам относят: горное давление или вес насыпного грунта; гидростатическое давление; собственный вес конструкций; вес зданий и сооружений в зоне их воздействия на подземную конструкцию; сохранившиеся усилия от обжатия (разжатия) крепи и давления щитовых домкратов.

К длительным временным нагрузкам и воздействиям относят: вес стационарного оборудования; температурные климатические воздействия; силы морозного пучения; воздействия усадки и ползучести бетона; усилия начального обжатия (разжатия) крепи.

К кратковременным относят нагрузки и воздействия от внутритон-нельного и наземного транспорта; строительных процессов (нагнетания раствора за крепь; воздействия проходческого и другого строительного оборудования, в том числе давление щитовых домкратов; волновое воздействие при транспортировке опускных секций подводных тоннелей и гидростатическое давление при их погружении и т.п.).

Особыми считают нагрузки и воздействия сейсмического и взрывного характера, сдвиговых деформаций в массиве и т.д.

Расчет несущих подземных конструкций выполняют по предельным состояниям первой и второй групп на основные сочетания постоянных, длительных, некоторых кратковременных и одной из особых.

В задачах механики подземных сооружений массив горных пород моделируется упругим полупространством [11]. Нетронутый массив испытывает начальные напряжения, вызываемые собственным весом пород. Начальное поле напряжений массива в этом случае называется гравитационным. Его компоненты в соответствии с гипотезой А.Н. Динника о реализации в массиве только вертикальных перемещений составляют:

(1.1)

О*» = О-<0) = ) = <7<0) = ЛуН, К '

где у - удельный вес пород (МН/м2), X - коэффициент бокового давления в массиве.

Величина горизонтальных напряжений в массиве определяется коэффициентом бокового давления, который находится с помощью упругой модели массива:

1-у

Если в нетронутом массиве плоскость изотропии наклонена под углом а к оси Ох, то получаем следующие компоненты начального поля напряжений массива:

<т'!" = ГН\ (1.2)

где Лх - коэффициент бокового давления в массиве в направлении вкрест

А.А - А.А

простирания плоскости изотропии: Лх = 5— 2 4 , Л - коэффициент бокового давления в массиве в направлении по простиранию плоскости изотро-А.А -АА

пии: Л = 4-Ц-5-, Лхх - коэффициент пропорциональности:

А]А2 А3 а]5Л2 + а25Лу + а35

Ахх~-;

а55

Ах — апй55 — А2 — #22^55 — ^25' А ~ Я\2а55 ~ ^15^25'

А4 = Я13#55 — a\$ai5-> = а2Ъа55 ~ а25аЪ5->

где а - коэффициенты обобщенного закона Гука.

Для случая горизонтальной плоскости изотропии (а = 0), компоненты начального поля напряжений массива представляются в виде: of = ГЯ;

а':" = а*:' = ЛуН; (1.3)

где Л = . 1-v,

В массивах пород в тектонически активных районах на гравитационное начальное поле напряжений накладываются дополнительные тектонические напряжения, вследствие чего суммарное начальное тектоническое поле

напряжений характеризуется горизонтальными напряжениями, превышающими по величине вертикальные.

При землетрясении в массиве распространяются два вида упругих волн: продольные (волны растяжения-сжатия Р) и поперечные (волны сдвига £). Скорости распространения указанных волн составляют:

Eg 1-v

у (l + v)(l-2v)

(1.4)

Eg \\-2v

2/(1 + v) ^2(l-v) где g- ускорение свободного падения.

Сейсмические волны отличаются большой длиной, существенно превышающей размеры поперечных сечений подземных сооружений, вследствие чего задача расчета подземных сооружений на сейсмическое воздействие сводится к решению двух квазистатических задач (применительно к двум видам волн). Динамическое поле напряжений в массиве заменяется эквивалентным квазистатических, вызываемым действием экстремальных значений нормальных и касательных напряжений, прилаженных на бесконечности и определяемых выражениями:

(1.5)

<::> 2Р

где А - условное сейсмическое ускорение частиц пород в долях g (g - ускорение свободного падения). Коэффициент А принимает значения 0,1; 0,2; 0,4 соответственно для расчетной сейсмичности 7, 8, 9 баллов; Кх - коэффициент, учитывающий допускаемые повреждения обделки; Т0 - преобладающий период собственных колебаний частиц породы; Kh - коэффициент, учитывающий глубину заложения сооружений (Kh= 1- 0,005Н при #J 100m, Kh = 0,5 при Н> 100m).

Общий метод расчета крепи выработок круглого сечения. Крепь протяженной выработки, например, ствола, круглого сечения рассматривается как многослойное круговое кольцо, подкрепляющее отверстие в упругой плоскости. Нагрузки и воздействия, испытываемые системой «крепь-массив», представляются либо в виде эквивалентных напряжений, прикладываемых на бесконечности, либо в виде напряжений, прикладываемых к внутреннему контуру сечения крепи (рис. 1). Общий метод расчета крепи основан

на применении коэффициентов передачи нагрузок или контактных напряжений [11].

и

Г.

■'1

'ш

Рис. 1.1. Расчетная схема крепи выработки круглого

сечения

Эквивалентные напряжения, прикладываемые к упругой плоскости на бесконечности, соответствующие различны