Способ проходки глубоких шахтных стволов в слабых обводненных породах Советский патент 1984 года по МПК E21D1/12 

Изобретение относится к горному делу, в частности к способам проходки шахтных стволов в слабых обводненных породах. Известен способ проходки шахтных стволов в слабых породах, включающий предварительное закрепление пород химическими, электрохимически ми и др.методами для создания защит ного ограждения, проходку ствола, крепление и тампонаж закрепного про странства fl J. Недостатком известного способа является ограниченная область применения, так как он не может быть и пользован в условиях глинистых и об водненных пород. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемо1му является способ про ходки шахтных стволов в слабых обводненных пародах, включающий предварительное определение и прочностных характеристик горных пород в замороженном состоянии, рас чет толщины ледопородного ограждения, искусственное замораживание,.гор ных пород для создания временного ледопородного ограждения и проходку ствола заходками с последующим креп лением и тампонажем закрепного пространства t2j . Недостатком этого способа является то,что толщину стенки ледопородного ограждения принимают из услови работы замороженной породы лишь в области упругости, в результате чего при проходке шахтного ствола на боль шую глубину возникает необходимость образования больших толщин ледопородного ограждения, связанных со значительными объемами работ по замораживанию и трудоемкостью, с расхо дом большого количества дефицитных материалов и удлинением сроков строительства, в результате чего область применения этого способа ограничивается глубинами стволов, как правило, не более 300 м. Целью изобретения является повышение эффективности проходки шахтных стволов путем уменьшения объема замораживания и обеспечения возмож ности проходки стволов на большую глубину. Поставленная цель достигается тем что согласно способу проходки глубоких шахтных стволов в слабых обвод ненных породах, включающему предварительное определение упругих и про ностных характеристик горных пород в замороженном состоянии, искусствен ное замораживание горных пород для создания временного ледопородного ог раждения и проходку ствола заходками с последующим возведением постоянной крепи и тампонажем закрепного пространства, при проходке ствола контуют величину смещения ледопородограждения iJct предельное значеоторой определяют по формуле )-.ь Л - толщина стенки ледопородного ограждения; 1| - предельная длина заходки, определяемая по формуле . д г, т . m В(сЛ) и m - реологические параметры замороженного . ледопородного массива;ip - расчетное время процесса отставания возведения постоянной крепи (интервал времени от начала обнажения стенки ледопородного ограждения до момента постановки крепи); предельно допустимый прог51б стенки ледопородного ограждения; Б(t)- параметр, зависящий от толщины стенки ледопородного ограждения ; Р - величина горного давления на глубине заходки, тоянную крепь возводят при донии значения предельной величиещения ледопородного ограждеходным решением для вывода форпредельной величины заходки явя известное решение о смещении енки толстостенной трубы неогенной ДЛИНЫ под воздействием льного давления Р, полученное нове теории пластичности. Эта а решается из совместного рас« ения уравнений равновесия,, ений неразрывности деформации внения нелинейного пластическоформирования по закону и и - деформация и напряжение; m- пластического деформирования. лученное решение может быть предено в виде и Ь - внутренний (вчерне) и внешний радиусы трубы. использования формулы (2) димо учитывать развитие пластических деформаций замороженной пород во времени, т.е. явление ползучести; ограничение длины ледопородного ограждения путем его защемления по концам обнаженного участка проходки длиной Ъ . Учет явления ползучести осуществляется тем, что параметр пластичности А в формуле (1) рассматривается как функция времени (t), что характеризует развитие пластических деформаций ползучести. Параметры А (i) и m опреА;эляют из испытания на ползучесть образцов замороженной породы при заданной температуре в, в результате чего получают семейство кривых ползучести f- при различных & . Эти кривые перестраивают в семей ство кривых напряжение 6 - деформаци для различных моментов времени t, откуда находят значение параметра w (от i не зависящего) и значения параметра А (i) для различных t . На основе этих данных строят график изменения А (t) : во времени и по нему находят значение A(tp) для расчетного момента времени tp. Учет защемления ледопородного цилиндра осуществляют введением коэффи циента (.,5), характеризующего условия,защемления верхнего и нижнего концов обнаженного участка ледопородного ограждения. В верхнем конце это защемление осуществляется постановкой крепи, а в нижнем естественной (замороженной или талой породой, расположенной ниже дна забо массива. Принимая линейный закон распредел ния касательных напряжений по высоте h и находя их значения в местах за делки, получаем расчетную формулу 1.«л(р)л;. (3) -функция отношения Ъ/с , где в (() т.е. толщина стенки J--fc-a. HTiri (i-)( На основе проведенных опытов установлено, что коэффициент защемления можно принять равным ,0,1, а значение m равно: для пылеватых водонасыщен«ых песков и супесей ,27; для суглинков и мягкопласт ных глин м 0,3; для твердых глин т 0,4. Соответственно, формула (4) для песков и супесей имеет вид

.1,.,,о4,4Г1(-) ( (41

(fcl

65 ля суглинков и мягкопластйчных.глин .1.1,..(4Г(1Г- для твердых глин : )-,1(4Г(|-) .- (1 Параметр А( tp ) зависит от расчетного времени tp и от температуры замороженной породы 9 , В табл.1 представлены экспериментально установленные значения A(tp) при разных tpи- в , В табл.2 предйтавлены значения длительной прочности &-(tp) при разных tp и .6 . . Время отставания-процесса возведения постоянной крепи контролируется по предельной величине рмещения стенки ледопородного ограждения, определяемой из выражения .где и, , - предельная величина смещения ледопородного ограждения;c - толщина стенки цилиндра ледопородного ограждения, причем прогиб колонки пропорционален смещению стенки. Для проверки толщины стенки ледопородного ограждения по прочности (по первому предельному состоянию) используют условие идеальной пластичности, согласно которому в формуле (1) принимается , где Э5 - предел прочности. Учитывая явление снижения прочности замороженной породы в зависимости от времени действия нагрузки, рассматривая функцию времени ё, (t) , значение ei(t) определяют из опытов на ползучесть с доведением образцов до разрушения. Зависимость между разрушающей нагрузкой 6д и временем до разрушения tpp определяет кривую длительной прочности. Для расчета выбиг раюг на этой кривой значение (tp), соответствующее расчетному времени tp . Тогда формулы расчета толщины стенки ледопородного ограждения по условию прочности получаются из формулы. (3) путем подстановки в нее перечисленных выше условий , А &5 (tp) , f 0,1 Ь ,., о.э .р T- -&77t7i

Предлагаемый способ проходки глубоких шахтных стволов в слабых обводненных породах исходит из основного положенияреологии мерзлых грун тов, заключающегося в том, что в замороженных грунтах развиваются во времени пластические деформации ползучести, а прочность пород снижается. Поэтому при устройстве ледопородного Цилиндра в качестве защитного ограждения необходимо учитывать время его работы от момента обнажения стенки ледопородного ограждения до момента возведения постоянной крепи твердения тампонажного раствора. Нарастание пластических деформаций за этот период зависит от реологических свойств замороженного ледопородного массива, температуры,величины горного давления, размеров стенки ледопородного цилиндра и длины заходки.

Толщину стенки ледопородного ограждения и длину заходки«определяют по двум предельным состояниям: по .прочности ледйпородного ограждения и по деформациям - смещениям стенки ограждения. Определение предельной прочности ледопородного ограждения производится исходя из недопустимост нарутаения монолитности ледопородного ограждения и прорыва грунтовых вод

и плывуна. Этоопределение производится по приведенным формулам (6) с введением в них значения прочности для данного расчетного времени i.p.

Определение предельной деформации производится исходя из предельно дйп пустимого прогиба замораживаклдиХ труб и недопустимости их разрыва с целью исключения размораживания ледопородного ограждения.

Предлагаемый способ проходки глубоких шахтных стволов в слабых обводненных породах осуществляется следующим образом.

С помощью известных средств с поверхности по контуру сечения шахтного ствола бурят скважины параллельно оси ствола на требуемую глубину заложения, оборудуют скважины : эамораживающими колонками и производят искусственное замораживание ледопородного цилиндра известными методами, предварительно выбрав (определив по данным инженерно-геологических изысканий и экспериментальньлх исследований оптимальную толщину стенки ледопородного ограждения.

Перед проходкой очередного цикла |3аходки определяют предельную ее длину в зависимости от реологических свойств замороженных пород, от горного давления и фактически образованной трлщины стенки ледопо- . родного ограждения по формулам (3) и (4),

,Цлина очередной заходки ствола является переменной функцией и зависит от изменяющихся параметров свойств грунтов (пород) и глубины проходки.

в процессе проходки очередной заходки ствола осуществляется контро за предельным смещением внутренней поверхности ледопородного ограждения с помощью известных средств.

Предельная величина смещения стенки ледопородяого ограждения определяется из выражения (5).

Если контролируемая величина смещения стенки ледопородного ограждени приближается к предельному значению, то начинают срочно возводить постоянную крепь ствола.

Предлагаемы способ проходки глубоких шахтных стволов может .быть использован для строительства шахт, особенно в тех случаях, когда шахты проектируются с большой глубиной заложения в ггеблагоприятных горно-геологически-х условиях (в слабых обвод« ненных породах)..

Предлагаемый способ позволяет пов1ысить эффективность проходки шахтных стволов на большие глубины, повысить производительность труда проходчиков и темпы строительства стволов и ускорить ввод их в эксплуатаци вследствие значительного сокращения трудоёмкости по замораживанию. .Таблица 1

СПОСОБ ПРОХОДКИ ГЛУБОКИХ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ В СЛАБЫХ ОБводавиных ПОРОДАХ, включающий предварительное определение упругих и прочностных Характеристик горных пород в заморо жеином состоянии,искусстйенное закиораживание горных пород для созда..шя временного яедопородного ограждения проходку ствола эаходками с прслеяуадим возведением постоянной крепи тампонажем закрепленного пространства, о- тли чающийс я тем,что,с целью повышения эффективности проходки шахтных стволов путем уменьшения объема замораживания и обеспечения возможности {проходки стволов на большую глубину, при проходке ствола контролируют величину смещения ледопородного ограждения а , предельное значение которой определяют по формуле if - толщина стенки ледопородного ограждения; h - предельная длина заходки, определяемая по формуле в(.) пр р. - реологические параметры замороженного ледопородного массива; 1о расчетное время процесса отставания возведения постоянной крепи (интервал времени от начала обнажения стенки ледопородного ограждения до момента постановки крепи); предельно допустимый пр прогиб стенки ледопо1О родного огражденияf ф eicO-y- параметр,зависящий от толщины стенки ледоОд породного ограждения) со 00 P(t - величина горного дав- ления на глубине заходки , а постоянную крепь возводят при до-стижении значения предельной величины смещения ледопородного ограждения.

9,5 5,7 3,4 8,5 5,1 2,9 7,5 4,5 2,6

8,3 5,2 3,3 :13,8 7,6 4,2 7,7 4,8 3,1 11,3 6,2 3,4 7,1 4,4 2,8, 9,1 5,0 2,8

6,2. 3,6 2,4 5,9 3,3 2,2 5,3 3,1 l.,9

Таблица 2

4,1 2,8 1,7

3,2 1,9 3,9 2,5 1,6

3,0 1,8 3,7 2,3 1,5

2,7 1,6