Введение к работе
Актуальность работы. Строительство и реконструкция горнодобывающих предприятий в районах северной климатической зоны связаны с необходимостью выполнения большого объема работ по сооружению, вертикальных шахтных стволов в сложных горно-геологических условиях распространения вечной мерзлоты.
При проектировании стволов в вечномерзлых породах необходимо учитывать, что после ввода ствола в эксплуатацию под воздействием положительных температур воздуха внутри ствола окружающие крепь породы оттаивают, что вызывает увеличение их давления на крепь.
В случае, когда проветривание ствола производится через наклонные по отношению к его оси вентиляционные каналы, распределение положительных температур по внутренней поверхности крепи оказывается неравномерным,, что приводит к неравномерному оттаиванию окружающих ствол вечномерзлых пород. Неравномерный обогрев крепи верхней зоны ствола может происходить и в воздухоподающих стволах с калориферными установкам!!, расположенными в надшахтных зданиях и башенных копрах несимметрично относительно вертикальной оси ствола,.что также вызывает неравномерное оттаивание пород за крепью.
Исследования, проведенные Северным Филиалом НИИОСП им. Н. М. Герсеванова, показали, что при неравномерном оттаивании пород граница зоны (ореола) оттаивания в поперечном сечении может быть с достаточной точностью описана окружностью, имеющей некоторый эксцентриситет относительно центра ствола, причем .механические характеристики мерзлых пород изменяются'при их оттаивании, а радиус и эксцентриситет ореола оттаивания увеличиваются с течением Бремени.
Имеющиеся в настоящее время методы расчета крепи стволов, сооружаемых в вечномерзлых породах, позволяют определять напряженное состояние крепи только при равномерном оттаивании. Вместе с тем, образование эксцентрической в поперечном сечении зоны оттаивающих пород с отличными от остального массива деформационными и прочностными характеристиками может оказывать существенное влияние на напряженное состояние крепи и должно учитываться при
ее расчете и проектировании.
В связи с этим разработка метода расчета крепи стволов' в неравномерно оттаивающем массиве вечномерзлых пород является актуальной.
Выполненная работа связана с темой N 0239014000-40 "Разработать технические требования, для проектирования рациональных типов крепи стволов и мер их охраны в Печорском угольном бассейне" Минтопэнерго Российской Федерации.
Цель работы состоит в создании метода расчета крепи стволов в неравномерно оттаивающем массиве вечномерзлых пород на действие собственного веса пород и возможного давления напорных грунтовых вод, фильтрующих из нижерасположенных горизонтов, что позволит повысить надежность крепи стволов в течение проектного срока эксплуатации, в ряде случаев отказаться от дорогостоящих мероприятий по центрированию воздушной струи или усилению крепи, а в некоторых случаях обоснованно облегчить конструкцию, снизив ее толщину или коэффициент армирования.
Идея работы заключается в математическом моделировании взаимодействия крепи ствола, эксцентрической в поперечном сечении зоны оттаивающих пород и массива мерзлых пород как элементов единой деформируемой системы.
Методы исследования включают аналитическое решение соответствующей плоской контактной задачи теории упругости с использованием теории аналитических функций комплексного переменного и аппарата комплексных рядов, разработку программного обеспечения для ЭВМ, ' выполнение многовариантных расчётов с целью исследования зависимости напряженного состояния крепи ствола от основных влияющих- факторов, сравнение результатов расчетов с решениями частных задач, полученными другими авторами.
Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:
- разработана математическая модель взаимодействия крепи ствола, эксцентрической в поперечном сечении зоны оттаивающих пород и массива мерзлых пород, позволяющая учитывать основные факторы, существенно влияющие на напряженное состояние крепи -геометрические характеристики крепи и зоны оттаивающих пород, деформационные характеристики мерзлых и оттаивавших пород, а
также материала крепи, изменение поля напряжений в зоне оттаивания вследствие изменения удельного веса и коэффициента бокового давления оттаивающих пород.и возможного формирования гидростатического давления напорных грунтовых вод, фильтрующих из нижерас- положенных горизонтов, увеличение радиуса и эксцентриситета ореола оттаивания с течением времени;
получено новое аналитическое решение плоской контактной задачи теории упругости для концентрического кольца, моделирующего крепь, подкрепляющего отверстие в линейно-деформируемой весомой среде, составленной эксцентрическим кольцом, моделирующим зону оттаивающих пород, и бесконечной средой, моделирующей массив мерзлых пород, при граничных условиях, отражающих изменение гравитационного поля напряжений вследствие оттаивания мерзлых пород, а также возможное формирование напора грунтовых вод, фильтрующих из нижерасположенных горизонтов;
на основе полученного решения контактной задачи разработан метод расчета крепи стволов в неравномерно оттаивающем массиве вечномерзлых пород;
исследовано влияние относительного эксцентриситета ореола оттаивания на неравномерность распределения нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре поперечного сечения крепи и установлены области значений геометрических параметров зоны оттаивающих пород, при которых неравномерность оттаіівания может не учитываться (с погрешностью, не превышающей 5 %);
исследованы зависимости максимальных нормальных тангенциальных напряжений в крепи, вызываемых оттаиванием пород, от основных влияющих факторов -относительного эксцентриситета ореола оттаивания, относительного радиуса ореола оттаивания, отношения модулей деформации оттаивающих- и мерзлых пород, отношения модулей деформации мерзлых пород и материала крепи, относительной
.толщины крепи;
Достоверность научных положений,- выводов и рекомендаций подтверждается высокой точностью (с погрешностью не более 5 %) удовлетворения граничных условий контактной задачи, практически полным совпадением получаемых в частных случаях результатов с решениями других авторов.
Научное значение диссертационной работы состоит в'разработке математической модели взаимодействия крепи
- 6 -ствола, зоны оттаивающих пород и массива мерзлых пород; получе-. нии нового аналитического решения плоской контактной задачи теории упругости, положенного в основу разработанного метода .расчета крепи стволов в неравномерно оттаивающем массиве вечномёрзлых пород; установлении зависимостей максимальных нормальных тангенциальных напряжений, возникающих в крепи ствола вследствие неравномерного оттаивания мерзлых пород, от основных влияющих факторов.
Практическое значение работы состоит в создании метода и алгоритма'расчета крепи стволов в неравномерно оттаивающем массиве вечномёрзлых пород; разработке программы для ЕС -ЭВМ, позволяющей производить многовариантные расчеты в целях практического проектирования.
Реализация результатов работы: Результаты диссертации использованы А. 0. "СПб-Гипрошахт" при разработке рабочей документации строительства вентиляционного ствола N 2 шахты "Воргашорская" и разработке проекта строительства шахты "Воргашорская" N 4 ПО "Воркутауголь".
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Международной конференции "Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций" (г. Белгород, 1993 г.), на X Международной конференции по механике горных пород (г. Москва, 1993 г.), на конференции профессорско-преподавательского состава Киевского автодорожного ин1 ститута (г. Киев, 1993 г.), научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Тульского государственного технического университета (г. Тула, 1992, 1993, 1994 г. г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4
печатные работы. " ..
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, содержит 180 стр. , включая 30 рис., 8 табл., список литературы из 140 наименований и одно приложение. ,