Содержание к диссертации
Введение
1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ ПРОХОДКИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ CTBQICB СПОСОБОМ ЗАМОРАЖИВАНИЯ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА ТОШЦИНЫ ЛВДОПСРСЩНЫХ СЕТАВДБНИЙ 9
1.1. Анализ горно-геологических условий и применяемых: технологических схем проходки вертикальных стволов способом замораживания 9
1.2. Обзор существующих методов определения напряженно-деформированного состояния незакрепленных стенок вертикальных стволов, проводимых в искусственно замороженных породах 22
1.3. Анализ методов и результатов исследований физико-технических свойств замороженных горных пород 30
1.4. Актуальность, цель, задачи и методы исследований... 33
Выводы 34
2. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ЖСЛЕДШАНИЯ ТЕПЛОФИЗИЖКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ: ПРОЦЕСС СБ В ЗЩШОРСЩНОД ОГРАЖДЕНИИ ПРИ ПРСШЩВ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ 37
2.1. Распределение температурных полей в искусственно неоднородных массивах горных пород. 37
2.2. Температурные напряжения и деформации в искусственно замороженных горных породах
2.3. Исследование механического состояния замороженных пород в ледопородном ограждении
2.4. Распространение упругих волн в неоднородном массиве ледепородкого ограждения 86
Выводы 98
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-ТЕХННИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И НАПРЯЖЕШСЦЦЕФСВЙИРШАННОГО СОСТОЯНИЯ ЗАМОРОЖЕННЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
3.1. Методика проведения исследований 101
3.2. Исследование физико-технических: свойств замороженных пород в лабораторных условиях 124
3.3. Исследование состояния массива замороженной горной породы в натурных условиях 138
Выводы 160
4. ВОЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОХОДЧЕСКОГО ЦИКІА И ЛЕДОПОРСЦЩСГО ОГРАЖДЕНИЯ 162
4.1. Анализ результатов комплексных исследований замороженных горных пород 162
4.2. Факторы, определяющие толщину ледопородного ограждения, высоту заходки и время нахождения ее в незакрепленном состоянии 171
4.3. Параметры проходческого цикла и ледопородного ограждения при строительстве вертикальных стволов 185
4.4. Определение экономической эффективности применения рекомендованных параметров проходческого цикла и толщины ледопородного ограждения 192
Выводы 198
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 200
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ 215
- Анализ горно-геологических условий и применяемых: технологических схем проходки вертикальных стволов способом замораживания
- Распределение температурных полей в искусственно неоднородных массивах горных пород.
- Методика проведения исследований
- Анализ результатов комплексных исследований замороженных горных пород
Анализ горно-геологических условий и применяемых: технологических схем проходки вертикальных стволов способом замораживания
Способ искусственного замораживания горних пород при строительстве горных выработок с каждом годом находит все большее применение в нашей стране. По данным, доля вертикальных шахтных стволов, пройденных в СССР за годы ІХ-Х пятилеток с применением способа замораживания, возросла в 1,5 раза (рнс.1.1) по отношению к общему числу пройденных вертикальных стволов. В то же вреня скорость проходки стволов с применением этого способа за этот срок почти не изменилась и составляет 25-30 м/мес, что примерно в 3 раза меньше среднемесячной технической скорости проходки стволов в обычных условиях.
Увеличивавшаяся доля применения способа замораживания горных пород связана как с освоением новых, ранее недоступных районов, так и с возраставшем глубины разрабатываемых месторождений. В 1971-80 гг. количество стволов глубиной до 500 м уменьшилось на 10 %, а количество стволов глубиной более 500 м увеличилось на 20 % (рис. 1.2),
Процесс искусственного замораживания горных пород и технология проведения в них подземных выработок рассмотрены в работах ОД. Долгова, Я. А .Дориана, А. 3. Литвина, Г.И.Маньковского, И.Д.Насонова, Н.А.Селезнева, Н.Г.Трупака, В.А.Федюкина, Х.Р.Хакимова, П.А.Шпарбера, М.Н.Щуплика ж других авторов.
Распределение температурных полей в искусственно неоднородных массивах горных пород.
Жедопородное ограждение представляет собой массив временно замороженной породы с искусственно измененными физико-техническими свойствами. Образование его локальными поглотителями тепла ведет к формированию технологически неоднородного искусственно замороженного массива с переменным полем температуры. Исследование распределения температуры в ледопородном ограждении и определение средних значений этой температуры необходимы для оценки напряженно-деформированного состояния ограждения. В качестве объекта исследования нами принята замковая плоскость, как участок, обладающий наиболее низкой несущей способностью, средняя температура которого незначительно выше средней температуры в рассматриваемом горизонтальном сечении ледопородного ограждения.
Наиболее обоснованную методику технологических расчетов ледопородного ограждения одним из первых предложил Н.Г.Трупак 88.
У -расстояние от осевой плоскости до рассматриваемой точки в замковой плоскости, м; 6 - расстояние между осями замораживающих колонок, радиус замораживающей колонки, м.
В этих формулах не учитывается взаимное влияние замораживающих колонок, а также цилиндрическая форма ледопородного ограждения.
Методика проведения исследований
В нашей стране и за рубежом накоплен большой опыт исследования физико-механических свойств замороженных горных пород.
Полученные данные используются при проектировании защитных ледопородных ограждений. Однако, созданные на основании этих расчетов ограждения не гарантируют успешного сооружения вертикальных шахтных стволов, что подтверждается большим количеством повреждений замораживающих колонок и прорывов воды или рассола в сооружаемые стволы.
Один из основных недостатков проводимых ранее исследований физико-технических свойств замороженных пород на образцах состоит в том, что они проводились на образцах с нарушенной структурой породы. В лаборатории из размороженной породы изготовлялись образцы по физическим свойствам, близким к первоначальным, но прочностные свойства пород были иные, чем в массиве, так как нарушались условия замораживания пород под нагрузкой в течение длительного времени, что не соответствует требованиям ГОСТа / 21 /.
Следовательно, исследованные ранее образцы не являлись идентичными замороженной горной породе, составляющей дедопородное ограждение.
Поэтому соблюдение первоначальной природной структуры является одним из главных условий проведения достоверных исследований. Такие исследования в большом объеме можно провести только вблизи от места выемки породы из замороженного массива.
Впервые было проведено исследование напряженно-деформированного состояния ледопородного ограждения совместно с проходкой ствола при различных по высоте незакрепленных участках шахтного ствола.
В качестве объекта для опытно-промышленного исследования напряженно-деформированного состояния незакрепленных стенок вертикального ствола выбран ствол Ш 2 Яковлевского рудника КМА, сооружаемый с применением замораживания пород до отметки -630,0 м.
Проходка стволов на Яковлевском железорудном месторождении является уникальной в мировой практике. На этом месторождении мощность неустойчивых пород достигает 550 м, в его толще имеется пять водоносных горизонтов с максимальной суммарной величиной горного и гидростатического давления 6,26 МПа. Слагающие эту толщу породы - мел, мергель, песчаник, глина и различные по зернистости пески характерны для »ряда месторождений Курской магнитной аномалии, таких, как Чернянское, Гостищевекое, Хохло-во-Игуменское, а также других месторождений, вскрытие которых предполагается производить стволами с применением способа замораживания горных пород.
Для проведения исследований была разработана методика опытно-промышленного исследования напряженно-деформированного состояния и устойчивости незакрепленных участков стенок стволов Яковлевского рудника КМА, сооружаемого способом замораживания, согласованная с проектной конторой треста "Шахтепецсгрой" и утвержденная трестом "Шахтспецстрой".
Анализ результатов комплексных исследований замороженных горных пород
Главными задачами экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных и промышленных условиях, являлись: определение физико-технических свойств замороженных горных пород и отработка методики оценки напряженно-деформированного состояния ледопородного ограждения в зависимости от высоты заходки, времени нахождения замороженных пород в обнаженном состоянии и толщины ледопородного ограждения. При проведении натурных исследований подучены распределения скорости распространения упругих волн по толщине ледопородного ограждения в песчаных и глинистых породах при различных ситуациях в забое ствола. Эти распределения соответствуют скоростям распространения упругих волн при изменяющейся температуре исследуемого ледопородного ограждения. При постоянных физических свойствах горных пород на скорость распространения упругих волн оказывают воздействия величина отрицательной температуры и напряженное состояние породы. Для оценки напряженного состояния ледопородного ограждения, на основании лабораторных исследований образцов породы, необходимо учесть влияние температуры, т.е. произвести пересчет значений скоростей ультразвука для однородного массива, имеющего ту же температуру, при которой испнгывались обрав замороженной породы. Во второй главе было установлено, что влияние температуры на скорость распространения ультразвука необходимо учитывать для песчаных пород в интервале температур от 0 до -5С, а для глинистых пород от 0 до -10C.
При более низких температурах для этих типов пород изменение скорости распространения ультразвука от температуры незначительно.
Согласно значениям интенсивности роста средней скорости распространения ультразвука с понижением температуры, приведенным в табл. 2.18, не о хотим произвести пересчет только для глинистых пород, исследование которых производилось при температуре на контуре ствола -6,5С. Температура на контуре ствола песчаных пород была ниже 5С.
Для определения напряженного состояния ледопородного ограждения по скорости распространения в нем ультразвуковых колебаний необходимо зависимости вида Vf - f[6j (табл. S.3), полученные при испытании образцов замороженной породы, преобразовать, учитывая особенности распространения ультразвуковых колебаний в массиве замороженных пород. Преобразования эти возможно произвести с помощью переходного коэффициента, который, как отмечалось ранее, равен для песчаных пород 1,1, а для глинистых 1,5. Эмпирические зависимости скорости распространения продольной волны от напряженного состояния массива замороженной породы представлены в табл. 4.1 и графически отображены на рис. 4.1.
