Строительство шахт и рудников в северной климатической зоне СССР связано с необходимостью возведения крепи вертикальных стволов в вечномерзлых четвертичных отложениях большой мощности и неустойчивых при оттаивании породах, а также возведением над ними различного типа надшахтных сооружений. Так, например, в Печорском угольном бассейне мощность вечно-мерзлых отложений достигает 8О-90М, а в Северо-Восточных районах: СССР- 300м и более.

При эксплуатации надшахтных зданий, сооружений и вертикальных стволов вечномерзлые породы вокруг ствола И в основании надшахтных сооружений оттаивают под воздействием положительных температур внутреннего воздуха, переходят в пластичное состояние, проседают и не могут воспринимать нагрузки от фундаментов. Поэтому в этих районах надшахтные сооружения возводят на столбчатых или свайных фундаментах, а при мощности неустойчивых вечномерзлых пород 40-90м - на четырех шурфах-фундаментах диаметром в свету 2,5-3,Ом, пройденных вокруг ствола до невыветрелой зоны скальных пород.

На шурфах-фундаментах глубиной 40-90м в Печорском угольном бассейне в настоящее время построено шесть башенных копров и одно надшахтное здание клетевого ствола. Суммарная стоимость шурфов-фундаментов превысила 2,0 млн.руб. капвложений и значительно увеличила трудоемкость и продолжительность строительства надшахтных сооружений.

В районах, где мощность вечномерзлых четвертичных отложений достигает 130-150 м, продолжительность возведении шурфов-фундаментов вокруг ствола составит 10-12 мес, а их стоимость - 1 млн.руб. на каждом надшахтном сооружении.

Учитывая, что возведение шурфов-фундаментов невозможно вести параллельно с возведением ствол?., монтаж надшахтных сооружений увеличит общую продолжительность строительства шях-

I

нагрузки с использованием жесткопластической модели взаимо-дейст ви я пород и крепи по методике, разработанной В. Г. Березан-цевым [п] без учета сцепления пород (С=0).

На третьей стадии деформирования пород за крепью вертикального ствола и формирования горного давления на крепь пластические деформации в породах (не склонных к пластическому течению) окружающих крепь, стабилизируются и полностью прекращаются, Радиальная нагрузка на крепь ствола (горное давление) или сохраняет значения, сформировавшиеся в процессе ее строительства во второй стадии, или незначительно снижается за счет восстановления структурных связей в породах пластической зоны и улучшения (восстановления) их механических характеристик после завершения процессов стабилизации.

Методы расчета нагрузок на крепь вертикальных горных выработок (горного давления), пройденных в вечномерзлых четвертичных отложениях большой мощности и неустойчивых при оттаивании породах до настоящего времени не разработаны и в нормативных документах [1*2] не приведены.

Методы расчета, предложенные А,В.Надеждиным [12] , Ф.Я,Новиковым [13]    ,    В.А.Сединым [14] и Э.С.Костиным [15],

базирующиеся н^п жесткоплас /ической модели взаимодействия оттаивающих вечномерзлых пород и крепи, не полностью отражают физические процессы, происходящие за крепью вертикальной горной выработки в процессе ое строительства и эксплуатации.

Выполненные в Гипрошахте аналогичные исследования процессов деформирования вечномерзлых пород за крепью вертикальных горных выработок, пройденных в вечномерзлых четвертичных отложениях большой мощности и неустойчивых при оттаивании породах, показали, что более целесообразно производить расчет нагрузок на крепь с использованием упругопластической и упругопластической неоднородной моделей взаимодействия пород и крепи и формирования горного давления на крепь.

При этом должны учитываться реальные физические процессы, происходящие за крепью вертикального ствола или ствола - фундамента и соответствующие им изменения физико-механических характеристик вечномерзлых пород.

При проходке ствола или ствола-фундамента вечномерзлые породы, залегающие с поверхности, устойчивы без крепи до глубины Но, определяемой из зависимости;

^ ЛСал((^ Z-isb'Pfii )__

°    ^«1°    Li- iin. "f/ч ) су vf_A,

ю

в связных породах

Л _ D -i- Mi (^ ~ ^ ^ ^ J    _f

*<?    *■    У_£у0

-    радиус ствола в проходке, м;

-    высота массива талых пород от подошвы массива мерзлых пород до выветрелой зоны скальных пород,м;

-    угол внутреннего трения талых пород в основании массива мерзлых пород, м;

-    сцепление талых пород в основании массива вечномерзлых пород, МПа;

-    усредненный удельный вес массива талых пород, кН/м³.

В неустойчивых вечномерзлых породах, в которых в процессе строительства вертикальной горной выработки до глубины Но соотношения (29,30) не выдерживаются, необходимо устанавливать временную или постоянную крепь.

При проходке и креплении вертикальной горной выработки ниже глубины Но в вечномерзлых породах за крепью формируется зона пластических деформаций и зависающий объем вечномерзлых пород с поддерживают эй их крепью. Породы вокруг крепи устья вертикальной горной выработки теряют устойчивость, смещаются к оси выработки, вступают в контакт с крепью, обжимают ее и совместно с крепью зависают на недеформированных веч номера-лых породах, окружающих зону пластических деформаций. Глубина вертикальной горной выработки Hj, в пределах которой вокруг нее формируется устойчивый зависающий объем вечномерзлых пород с поддерживающей их крепью зависит от радиуса ствола в проходке, веса крепи, физико-механических характеристик пород и может быть определена из соотношений (6,7) при введении в них параметров Уц и ^м •

Размеры зоны пластических деформаций (зоны смешений) в вечномерзлых породах вокруг вертикальной горной выработки в ради а льном напра влени и от ее оси Qg £ за висят от радиуса выработки в проходке, ее глубины, физико-механических характеристик пород и до глубины    ,    могут    быть    определены    по

формулам (8,9) при введении в них параметров Чц и .

Как показали исследования, при строительстве стволов или стволов-фундаментов в вечномерзлых четвертичных отложениях большой мощности и неустойчивых при оттаивании породах и их эксплуатации при положительных температурах внутреннего воздуха процессы деформирования вечномерзлых пород за крепью и

12

формирования горного давления на крепь можно разделить на ч*^-* тыре основных стадии (рис.З).

Первая стадия - стадия пластического деформирования вечномерзлых пород четвертичных отложений в процессе строительства в них вертикальной горной выработки и формирования зависающего объема вечномерзлых пород с поддерживающих их крепью.

Радиальную нагрузку на крепь вертикальной горной выработки (горное давление) Рм на этой стадии можно определить в режиме взаимовлияющей деформации с использованием упругопластической модели взаимодействия пород и крепи по формулам;

в сыпучих вечномерзлых породах (£_сг    &€>)

в связных вечномерзлых породах (Сот ^ &i ^ О ^

Pi«- (и „

где о(. -ft’-*

й - характеристика условия пластичности (прочности)

Кулона-Мора, В - ^ ^    )    .    ₍    Qv

Мм - глубина массива мерзлых пород от поверхности, м;

$ei ~ Р^азмеР ^зоны пластических деформаций (зоны смещений) от оси ствола, м.

Вторая стадия - стадия пластического деформирования оттаивающих за крепью вертикальной горной выработки вечномерзлых пород и формирования за крепью зависающего объема оттаивающих пород.

Радиальную нагрузку на крепь вертикальной горной выработки (горное давление) - ^Р2,от ^{На этой сташш} можно определить в режиме взаимовлияющей деформации с использованием упругопластическоЙ модели взаимодействиг пород и крепи по формуле.:

R.01 (*^0Т ' ^* ^Сот ^    ₃₉₎

13

В соответствии с исследованиями Н.С.Булычева {18]    ,

А. Вр Надеждина [13]    ₉    Gw    А.    Седина    [14]    _t Э.С.Костина [15J и

А.Б*Кондратова 117] размеры зоны разрушенных оттаявших пород за крепью вертикальной горной выработки на глубине не превышают радиус ствола в проходке

Размеры пластической зоны (зоны смещений), от оси ствола, в оттаявших за крепью вечномерзлых породах на рассматриваемой глубине определяются выражениями (40) и (41)»

Радиальная нагрузка на крепь вертикальной горной выработки ( горное давление) на этой стадии может быть определена в режиме взаимовлияющей деформации с использованием упругопластической и упругопластической неоднородной модели взаимодействия пород и крепи по формуле;

Н. от" %' Нот U-sin for)    )    •    ^{44)

где 'fier-iv> - усредненный удельный вес оттаявших пород, кН^м?

Вертикальная составляющая горного давления на крепь в этот период может быть принята равной Р£ст    *=0,01 МПа*

У устья вертикальной горной выработки в третьей стадии формируется зона смешений, наклоненная к горизонту под углом

/    ^ ~fcrr

с£=45    + -JJ- •

Поэтому нагрузка на крепь устья вертикальной горной выработки до глубины Но    (4S°*    может быть опреде

лена по методике В1Г*Береэанцева [ll] без учета сцепления пород (Сот=0).

Четвертая стадия - стадия консолидации и упрочнения пород в пределах первоначальной зоны разрушения (сползающего объема) и формирования на них вторичного зависающего объема оттаивающих пород.

На этой стадии радиальная нагрузка на крепь вертикальной горной выработки не увеличивается, так как восстановление в оттаявших породах структурного трения и сцепления не может привести к увеличению радиального давления на крепь.

В породах, склонных после оттаивания к пластическому течению радиальную нагрузку на крепь можно определить по методике Н. С. Булычева    (З] .

В зонах, в которых после проходки вертикальной горной выработки и оттаивания вечномерзлых пород формируется гидро-

16 »

статическое давление, суммарное радиальное давление на крепь может превысить радиальное давление во второй стадии, что необходимо учитывать при расчете нагруэок на крепь в третьей

стадии.

В устойчивых вечномерзлых породах, которые при оттаивании за крепью ствола сохраняют свою структурную прочность и пластические деформации которых не сопровождаются проц весами их разрушения, горное давление на крепь увеличивается прямопропорционально увеличению размеров зоны оттаивания (ореола оттаивания) в вечномерзлых породах за крепью ствола или ствола-фундамента и его можно определять в режиме заданной нагрузки с использованием жесткопластической модели взаимодействия пород и крепи.

Радиальная нагрузка на крепь ствола определяется по формуле:    ,    _ф    jj

На глубине, где ПОТ У Ч от-мак _f вторым множителем выражения (45) можно пренебречь. Тогда максимальная ради^ альная нагрузка на крепь ствола от зависших на крепи и мерз-* лых породах объема оттаявших пород составит;

120]    -    Коэффициент    условий    работы    крепи    Му =1,25 в расчп

не вводится, так как возможная неравномерность радиальньос (горизонтальных.) нагрузок на крепь учтена формулой (51).

Коэффициент надежности по нагрузке от веса пород понимается по СНиП П-94-80    [l]

В конкретных условиях строительст ва усредненные коч*| фициенты неравномерности радиальных нагрузок на крепь мог> t быть уточнены на основании значений механических характеристик пород, полученных лабораторными методами при бурении контрольно-стволовых и инженерно-геологических скважин.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

К СНиП П-94-80. Подземные горные выработки. -М.; Строй издат, 1982,    С.11-16.

2. Руководство по проектированию подземных горных выра ботсж и расчету крепи. - AV: Стройиздат, 1083, С.39-47.

3* Булычев И.С. Механика подземных сооруже!шЙ. М.: Недра, 1082.

4.    Крупенников Г.А., Булычев Н.С., Козел A.M.j Филатов Н.А. Взаимодействие массивов горных пород с крепью вертикальных выработок. -М.: Недра, 1966.

5.    Крупенников Г.А., Филатов Н, А. Некоторые результаты лабораторного исследования проявления горного давления в вертикальных выработках при пологом залегании пластов, // Шахтное строительство. 1962, N°N° 10,11.

6.    Борисов А. А., Нифонтов Е\И., Шабалин А.М. Моделирование взаимодействия массива пород с крепью вертикальных выработок. - Л.: Наука, 1972.

7.    Кондратов А.Еь Деформирование и разрушение несвязного породного массива вокруг закрепленной вертикальной выработки.// В сб.научн.трудов - Механика подземных сооружений.-Тула* Изд. ТПИ, 1984, С*66-70.

81 Фисенко Г.Л. Предельное состояние горных пород вокруг' выработок. -М.: Недра, 1076, С. 151-164.

8. Феннер F. Исследование ггрного Давления. //В кн.: Вопросы теории горного давления -М. Госгортехиадат, *361.

10. Лабасс А. Давление горных пород в >.*ольцых шахтах.// В к н«: Вопросы теории горного давления. M.S Госгортех-иадат, 1961.

19

ты или рудника.

В институте "Гипрошахт" Минутлепрома СССР ведется разработка нового прогрессивного метода возведения различно го типа надшахтных сооружений в северной климатической зоне СССР с опиранием их на крепь стволов-фундаментов.

Крепь ствола (рис.1) на уровне невыветрелой зоны скальных пород разрезается упругой прокладкой, выполняется кольцевой опорный башмак, на который передаются вертикальные нагрузки от массы надшахтного сооружения, ствола-фундамента и вертикальная составляющая горного давления от оттаивающих за крепью вечномерзлых пород. Горизонтальные нагрузки и момент сил в вертикальной плоскости, приложенные к устью ствола-фундаменгга от надшахтного сооружения, полностью или частично передаются на окружающие крепь породы.

Таким образом ствол-фундамент совмещает технологические функции ствола и фундамента надшахтного сооружения.

Внедрение в практику шахтного строительства нового прогрессивного метода возведения надшахтных сооружений в северной климатической зоне СССР с опиранием на крепь стволов-фундаментов связано с необходимостью разработки методики их расчета на различные виды аагружения, в том числе и на горное давление вмещающих ствол-фундамент пород.

Существующие методы расчета радиальных нагрузок на крепь (горного давления) вертикальных горных выработок, пройденных в четвертичных отложениях большой мощности (40 м и более) и неустойчивых породах, базирующиеся на жесткопластической модели взаимодействия пород и крепи, в том числе включенные в нормативные документы [1,2] , не полностью отражают физические процессы, происходящие в породах за крепью вертикальной горной выработки в период ее строительства и эксплуатации, и действительный характер взаимодействия пород и крепи.

Крепь нагружается в процессе совместного деформирования (контактного взаимодействия) с массивом пород, вследствие чего нагрузки на крепь (напряжения на контакте крепи с массивом) принципиально не могут быть заданы априорно, как исходные данные к расчету, а должны определяться в процессе единого расчета всей деформируемой системы "крепь-массив¹' |з].

Анализ экеп риментальных исследований деформирования сыпучей и связной среды вокруг вертикальных выработок на моделях из эквивалентных материалов [4,5, б]» натурных [7] и аналитических исследований [в] тжазывает, что процесс вэа-

2

11.    Березанцев В,Г. Осесимметричная задача теории предельного равновесия сыпучей среды. -М.:ГИТТЛ, 1952.

12.    Надеждин А.В. Исследование на модели устойчивости

- тенок незакрепленной вертикальной выработки- Основания, фундаменты и механика грунтов. №1.-М.: Стройиздагг, 1985, С. 22-23.

13.    Новиков Ф.Я. Давление оттаивающих грунтов на крепь вертикальных выработок* Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического совещания в г, Воркуте. Сб*НИИОСП.-М.:Изд.ЦИТП, 1975, G. 137-141.

14. Седи н аА. И сс лед о вание при чи н нару ш ения крепи вер-тикальных шахтных стволов, эксплуатируемых в зоне многолетне-

мерзлых пород и разработка рекомендаций по повышению устойчивости крепи в условиях шахт ПО *Воркутауголь*: Автореферат дисс.на соиск.учен.степ. к.т.н. - Л.:Ротопринт ГИПШ, 1975.

15.    Костин Э.С* Исследование и разработка методики расчета крепи устья ствола-фундамента надшахтных сооружений, пройденного в вечномерзлых четвертичных отложениях¹: Диссертация на соиск.учен,степени канд.техн.наук. - Л.:Ротопринт ГИПШ, 1980.

16.    Булычев Н.С., Амусин Ю.З,, Оловянный А.Г. Расчет крепи капитальны: горных выработок.-М.:Недрл, 1974.

17.    Кондратов А.Б. Деформирование и разрушение несвязного породного массива вокруг закрепленной вертикальной выра-ботки./В сб.научн.трудов - Механика подземных сооружений.-Тула; Изд. ТПИ, 1984, С.68-70.

18. Разработка технических требований для проектирования рациональных типов крепи и мер их охраны в Печорском угольном бассейне. Этап 023014101. Провести исследования по обоснованию исходных требований на разработку рекомендаций по проектированию стволов и надшахтных сооружений в Печорском угольном бассейне. Подэтап 504002. Разработать предварительные рекомендации по методике расчета крепи стволов-фундаментов надшахтных сооружений: Отчет о НИР (промежуточный)/ Гидрошахт: Руководитель и ответственный исполнитель З.С.Костин-Инв.Ш)2890039559, №ГР 01870094895 - Л.,1988.

19.    Клейн Г.К. Строительная механика сыпучих тел.-М.: Стройиздат, 1977.

20.    СНиП 2.03-01-84. Бетонные и железобетонные конструкции. -М.:ЦИТП Госстроя СССР, 1985.

20

У,Г. Б- уровень грунтовых вод;

B.3.G.K- выветрелая зона скальных пород;

Н*П. BLM - нижняя поверх-ность вечной мерзлоты

й Рис Л. Сеяние ствола:

? 1—ст вол—фундамент; 2-опор-Я нып башмак; 3-устье ствола; 4-нромежуточные опорные венцы

имодействия массива пород с крепью вертикальной горной выработки сложный и включает элементы различных механических моделей.

Выполненные аналитические исследования процессов деформирования пород за крепью вертикального ствола и формирования горного давления на крепь показали, что их можно разделить на три основные стадии (рис.2).

Первая-стадия пластического деформирования пород и формирования зависающего объема пород с поддерживающей их крепью.

Глубина Н₀, до которой породы вокруг устья вертикального ствола устойчивы без крепи [7,8| , определяется из соотношений :

в сыпучих породах (С-О*

Н₀    ,    (1)

в связных породах

(<L*Q ;

и ^ <&с Cl * sin -f)    _

У 6C-SinfJ    *    <2)

Идеальна пластичные породы ( C.^ О ; 'P-О ) устойчивы вокруг устья вертикального ствола без крепи при

,    О)

Условие зависания крепи устья вертикального ствола на породах зоны пластических деформаций, при котором устройство дополнительных опорных венцов на наружном контуре крепи не требуется, определяется из соотношений: в сыпучих породах

x*(i-    ,    <«>

в связных породах

h(i- 4?-)* *г -^у •    <»>

На глубине большей f"f₀ , породы вокруг крепи устья ствола теряют устойчивость, смещаются к оси ствола, вступают в контакт с крепью, обжимают ее и совместно с крепью зависают на недеформкрованных породах, окружающих зону пластических деформаций.

Глубина вертикального ствола , в пределах которой вокруг него формируется устойчивый зависающий объем пород с поддерживающей кх крепью, может б ггь определена из соотношений:

4

р<л -- v / -м- а-** *    <"»

в связных породах

Rl.i    *    Ci    П    )(£    -    <Un    f.yjji

H Ziy> 'Pj. .    ^U

(i-iiy\'Pi ) >

jS - характеристика условия пластичности (прочности)

Кулона-Мора £    -    _#    (13)

Вторая - стадия формирования за крепью ствола зоны разрушенных пород (зоны прогрессирующих смешений) и последовательно повторяющихся циклов вертикального смещения (сдвига) и зависания пород разрушенной зоны с поддерживающей их крепью и пород зоны пластических деформаций на породах неде-формированной зоны вокруг ствола.

Размеры зоны пластических деформаций в радиальном направлении от оси ствола Ret.t в процессе проходки непрерьпз-но увеличиваются и на рассматриваемом ярусе по глубине Hi могут быть определены по формулам: в сыпучих породах

{14)

в связных породах

п    n    ₍    К    )    iQ    fj    _f    ACj

<    1    C    i    *    )    $t.p.    L

/-/    - глубина четвертичных отложений от поверхности до не-

выветрелой зоны скальных пород, м,

Если принять, что зона разрушенных пород за крепью вертикального ствола на глубине Hc~Ri (4S °^~ ) не превншоет радиуса ствола в проходке, то до глубины, где размер зоны разрушенных пород -    от    оси ствола можно

принять равным    (16)

На большей глубине, где Rex.i^^s размер зоны разрушенных пород- с достаточной ”очностью мо; :но определить из ооотно-шения: _л    ^    _ч

R& 4 О,    -    ft*)    f    _t    (17)

7

Горнов давление на крень ствола во второй стадии прямо пропорционально весу поддерживаемого крепью сползающего (зависающего ) объема пород и может быть определено в режиме взаимовлияющей деформации с использованием упругопластической или упругопластической неоднородной моделей взаимодействия пород и крепи.

На глубине Hi от поверхности, на уровне верха забоя ствола (низа возведенного участка крепи), где зона разрушенных пород еще не сформировалась, радиальная нагрузка на крепь вертикального ствола (горное давление)    определяется    по

формулам:

в сыпучих породах

& ^с #tp.L 'Hi (l-Smi>_c )    (18)

в связных породах

& --(fcy..; -Hi * а-4п) (1-ц„ц )(-§£_т)^л; ^tl8)

На глубине меньшей Hi (выше уровня верха забоя ствола), где в процессе проходки и крепления ствола образуется зона разрушенных пород, радиальная нагрузка на крепь (горное давление) определяется по формулам: в сыпучих породах по формуле (18), в связных породах

%■ fic_v. i • Hi Vi n)0-

Если ствол пройден в идеально пластичных породах, у которых угол внутреннего трения ^ *0, то радиальная нагрузка на крепь (горное давление) может быть определена по формуле;

(го

где £ - размер зоны пластических деформаций (м), определяемый из выражения^    (22)

$е.р. i

Третья *• стадия стабилизации напряженно-деформированного состояния пород четвертичных отложений и развития в них реологических процессов изменения во времени Напряженно-деформированного состояния и процессов ползучести,

D породах, в которых после хроходки ствола и возведения крепи процессы вязкого течения не развиваютог радналь-

8

ная нагрузка на крепь (горное давление), достигнутая в процессе строительства ствола во второй стадии, стабилизируется и может быть определена в режиме вэаимовлияющей деформации с использованием упругопластической неоднородной модели взаимодействия пород и крепи по формулам; в сыпучих породах

Анализ выражений (16-24) показывает, что только на контакте со скальными невыветрелыми породами, при отсутствий в породах вокруг ствола пластической зоны (зоны смешений), радиальная нагрузка на крепь (горное давление) может достигнуть максимальных значений и определяться как для максимальных напряжений в нетронутом массиве, по аналогии с выражениями, полученными Р.Феннером для идеально сыпучей среды (СИЗ) [ 9 ] и А*Лабассом [ 10] для связных пород, по формулам;

в сыпучих породах

Ртах * Ъер.'Л (i-iirrfi ),

в связных породах

(Хц,.1 'Hi *C_t 'dffi )fi~ sinfi)-Ci-tiffi .    ⁽²⁸⁾

У устья ствола в третьей стадии формируется зона разрушенных пород глубиной А₀ , наклоненная к горизонту о ■f*

под углом »45 + ~ , размеры которой могут быть определены из выражений;

Радиальная нагрузка на крепь устья ствола в этой стадии до глубины h_c может быть определена в режиме заданной

9