Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время во всем мире, в том числе и во Вьетнаме, широко применяют выработки большого сечения. Такие выработки встречаются в сложных подземных комплексах, например, при строительстве подземных гидроэлектростанций, подземных атомных станций, военных и промышленных объектов специального назначения, а также транспортных автодорожных и железнодорожных тоннелей. Под термином выработки большого сечения (ВБПС) следует понимать выработки, пролет которых больше 6 м.
В настоящее время во Вьетнаме бурными темпами развивается гидротехническое строительство, поскольку развитие экономики страны напрямую зависит от объема производства электроэнергии. Сегодня в СРВ вырабатывается порядка 130 млрд. кВт.ч электроэнергии в год, но уже к 2025 г. общее производство электроэнергии должно увеличиться до 194 210 млрд кВт.ч, а к 2035 г. - до 330 362 млрд кВт.ч. Причем основной прирост электроэнергии будет происходить за счет введения в строй новых подземных атомных электростанций и гидроэлектростанций с подземной деривацией.
Кроме того, сегодня весьма актуально для Вьетнама освоение подземного пространства крупных городов-мегаполисов и прежде всего Хо-Ши-Мина и Ханоя. Уже в ближайшем будущем планируется начать строительство в этих городах линий метрополитена, а также возведение комплекса подземных гаражей и других социальных объектов, включающих в себя выработки большого сечения, в том числе и большепролетные.
Также правительство Вьетнама уделяет пристальное внимание развитию авто- и железнодорожной сети. В условиях гористой и насыщенной реками местности, что особенно характерно для СРВ, возникает необходимость в строительстве большого количества подземных и подводных тоннелей.
Основное количество подземных комплексов, а также транспортных и гидротехнических тоннелей будет сооружаться в породах средней крепости и в слабых неустойчивых породах с коэффициентом крепости пород (f = 2 5), причем на долю выработок с пролетом более 6 м приходится порядка 21%, а выработок с пролетом более 15 м - около 15% всей протяженности выработок.
Как известно, при строительстве выработок большого сечения в зависимости от физико-механических свойств горных пород и проявления горного давления применяют разные схемы раскрытия поперечного сечения, но особенно часто используют уступный способ или способ раскрытия забоя сразу на полное сечение.
В последние годы в мировой практике подземного строительства выработок большого сечения преобладают поэтапные схемы раскрытия забоя, которые позволяют повысить устойчивость пород вмещающего массива и скорость проходки. Особенно часто их применяют при проходке выработок большого сечения в средних и слабых породах. Однако выбор соответствующей схемы раскрытия забоя является весьма сложной задачей потому, что надо правильно определить прежде всего число забоев и соответственно их площадь, а также правильно подобрать параметры временной крепи и расстояние между опережающим и отстающим забоями. В настоящее время с развитием компьютерной техники можно решать такие задачи, используя численные методы расчета, и достаточно надежно определять напряжения и перемешения на контуре выработок большого сечения в зависимости от схемы раскрытия ее забоя.
Таким образом, выбор и обоснование схем раскрытия забоя и крепи выработок большого сечения для условий Вьетнама, позволяющих увеличить темпы и снизить стоимость производства работ, является важной и актуальной для народного хозяйства научной проблемой.
Цель работы состоит в установлении закономерностей влияния схем раскрытия забоя на формирование смещений контура выработок большого сечения для обоснования конструкции крепи, обеспечивающей сокращение затрат и сроков строительства.
Идея работы состоит в учете закономерностей изменения перемещений контура выработок большого сечения в зависимости от схемы раскрытия ее забоя для обоснования параметров конструкции крепи.
Задачи исследований:
- установить закономерности влияния схемы раскрытия забоя на формирование перемещений породного массива на контуре выработок большого сечения в горно-геологических условиях Вьетнама;
- установить зависимость формирования нагрузки на крепь выработок большого сечения при поэтапной схеме раскрытия забоя от геометрических параметров опережающего и проектного забоев;
- определить эффективные параметры комбинированной крепи (длину анкеров и толщину набрызгбетона) при использовании поэтапной схемы раскрытия забоя.
Методы исследования:
анализ литературных источников; аналитические исследования перемещений массива пород при различных схемах раскрытия забоя; математическое моделирование с использованием программы PHASE 2; натурные замеры на экпериментальных участках тоннелей; сравнение, анализ и обобщение всех полученных результатов для конкретных выработок подземного комплекса ГЭС Хуой Куанга во Вьетнаме.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
- установлено, что схема раскрытия забоя влияет не только на уровень напряженно-деформированного состояния пород вокруг контура выработки, но и на характер распределения перемешений по проектному контуру выработки большого сечения. Причем при поэтапной схеме раскрытия забоя перемещения в своде проектной выработки будут всегда меньше на (6 15)%, чем при проходке этих выработок сплошным забоем;
- установлено, что при проведении выработок большого сечения способом бокового уступа всегда существует оптимальное соотношение между пролетом опережающего забоя и проектной выработки, при котором перемещения в своде проектной выработки будут минимальными;
- установлено, что при проведении выработок большого сечения способом нижнего уступа перемещения на ее проектном контуре будут всегда меньше чем при проведении этих выработок на полный профиль, при этом оптимальной конструкцией крепи является комбинированная крепь из анкеров и набрызгбетона, которая в дальнейшем остается элементом постоянной конструкции крепи.
Научная новизна работы заключается в установлении закономерностей формирования напряжений и перемещений вокруг контура выработок большого сечения в зависимости от схемы раскрытия ее забоя.
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей влияния различных схем раскрытия забоя на напряжения и перемещения пород вокруг контура проектной выработки для обоснования параметров конструкции крепи.
Практическая значимость работы состоит в разработке рекомендаций по выбору схемы раскрытия забоя при проходке транспортного тоннеля №1 и подземного машинного зала гидроэлектростанции Хуой Куанга Вьетнама, что позволяет сократить время и стоимость проходки таких выработок.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международной конференции в СПГГУ (апреляь, 2011 г.), международной конференции в ТУЛГУ (сентябрь, 2012 г.), международной конференции «Прогресс в разработке месторождений и строительстве подземных сооружений (the 2nd - advance in mining and tunneling)» в Ханойском горно-геологическом университете (август, 2012 г.) на международном симпозиуме «Неделя горняка» (МГГУ, январь, 2013 г.), а также на научных семинарах кафедры СПСиШ МГГУ (2011 - 2013 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 2 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России и 3 публикации на международных конференциях.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения и приложения, содержит 87 рисунков, 33 таблицы, список литературы из 110 наименований.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю проф., докт.техн. наук А. Н. Панкратенко, а также проф., докт.техн. наук Б.А. Картозия за ценные замечания в процессе обсуждения и написания работы. Автор также признателен заведующему кафедрой проф., докт.техн. наук А.В. Корчаку и всем преподавателям кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» за их внимание и интерес к данной работе и высказанные полезные замечания во время ее написания.
