авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Оптимальныхпараметров проведения икрепления подземных сооружений в неустойчивых горных породах сиспользованием быстротвердеющих бетонов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Бауэр МарияАлександровна

ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХПАРАМЕТРОВ ПРОВЕДЕНИЯ
ИКРЕПЛЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ
В НЕУСТОЙЧИВЫХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ СИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИХ БЕТОНОВ

25.00.22 – «Геотехнология(подземная, открытая истроительная)»

Автореферат диссертациина соискание ученой степени

кандидата техническихнаук

г. Новочеркасск – 2011

Работа выполнена вШахтинском институте (филиале)Государственного образовательногоучреждения высшего профессиональногообразования «Южно-Российскийгосударственный технический университет(Новочеркасский политехническийинститут)» на кафедре «Подземное,промышленное, гражданское строительство истроительные материалы».

Научныйруководитель: кандидат техническихнаук, доцент

Дмитриенко ВладимирАлександрович

Официальныеоппоненты доктор технических наук,доцент

Саммаль АндрейСергеевич

кандидат технических наук

Ряжских АлексейЮрьевич

Ведущаяорганизация ОАО «ШахтНИУИ»

Защита состоится « 29 »апреля 2011 г. в 10.00 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.304.07 при ГОУВПО «Южно-Российский государственныйтехнический университет (Новочеркасскийполитехнический институт)» по адресу: 346428,г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, ГОУ ВПОЮРГТУ (НПИ), аудитория 107. тел. / факс:(863-52)2-84-63, e-mail: ngtu@novoch.ru.

С диссертацией можноознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО«Южно-Российский государственныйтехнический университет (Новочеркасскийполитехнический институт)», савторефератом – на сайте www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан « 23 »марта 2011 г.

Ученыйсекретарь

диссертационногосовета М.С. Плешко

Общая характеристикаработы

Актуальность работы.Необходимостьсовершенствования инженерной итранспортной инфраструктуры в крупныхгородах требует освоения подземногопространства исоответственно роста объемов проходки выработок в неустойчивыхнаносныхпородах, о чем свидетельствует опытстроительства тоннелей различногоназначения вМоскве, Екатеринбурге, Перми и Уфе.

Строительствоподземных сооружений и устьев вскрывающихгорных выработок в наносных породаххарактеризуется очень сложными условиямипрохождения, поэтому даже дорогостоящие проектныетехнологические решения проведения икрепления не исключают вывалов пород,разрушения крепи и других серьезныхосложнений.

Специфическиеособенности наносных горных пород (малаяпрочность и большие смещения без нарушениясплошности массива) обуславливают, какправило, применение высокозатратныхсплошных грузонесущихбетонных и железобетонных конструкций, возводимыхпосле проходки с временной крепью.Зачастую для подземного строительства в сложныхгрунтовых условиях успешно применяетсяцелый ряд специальных мероприятий дляупрочнения пород (замораживание,электрохимическое закрепление, струйныйтампонаж) и щитовая проходка протяженныхвыработок. Однако при этом удельныезатраты на строительство подземныхсооружений небольшой протяженности до 100 м(устья наклонных стволов, врезки тоннелейразличного назначения, подземные переходы,эскалаторные ходки, подземные коллекторы,вентиляционные и технологические сбойкиперегонных тоннелей) существенновозрастают. Таким образом, совершенствованиетехнологии строительства подземныхсооружений в грунтовых массивах с низкимифизико-механическими свойствами породприобретает особую актуальность.

Снижения смещений породи соответственно вероятности обрушениянезакрепленного массива при строительствевыработок в грунтах можно добитьсяуменьшением величины заходки, но приусловии обеспечения достаточной несущейспособности бетонной крепи, возводимой вслед заподвиганием забоя. Современные достиженияв областибыстротвердеющих бетонов позволяютполучить требуемую СНиП минимальную прочность бетона,при которой можно вводить крепь в работууже через сутки твердения. Однако при этомвозникает необходимость знаниязакономерностей распределения напряжений вмассиве и крепи с учетом изменяющихся вовремени механических характеристик бетона.

Исходя из этого, авторомисследуются условия строительства подземных сооруженийв неустойчивых горных породах заходкамименее 1 м, чтопозволит минимизировать пластические деформацииконтура выработки и исключить обрушения незакрепленного массивасвязных грунтов, а креплениебыстротвердеющим монолитным бетоном сразу заобнажением пород обеспечит существенное снижение стоимости,продолжительности, трудоёмкости иматериалоёмкости работ.

Диссертационная работавыполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогическиекадры инновационной России» на 2009-2013 годы,гос. контракт 14.740.11.0427 игосбюджетной темы: П3 – 846 «Разработать ресурсосберегающую технологиюстроительства предприятий».

Цельюработы является обоснование оптимальныхпараметров проведения подземных сооружений внеустойчивых горныхпородах и крепления их модифицированными быстротвердеющими составамибетона, что исключаетнеобходимость применения временной крепи, обеспечиваясокращение трудовых и финансовых затрат, атакже сроков строительства.

Идея работы заключается в использованиизакономерностей распределения напряжений в крепи попродольной оси выработки с учетомизменяющихся во времени характеристикбетона для обеспечения устойчивогосостояния подземного сооружения за счетвыбора оптимальной величины заходки ивведения необходимого количествамодификаторов.

Методы исследований.Для решения поставленныхзадач в работе использованкомплексный метод, включающий: анализсуществующих технологий строительстваподземных сооружений в неустойчивыхпородах; методы определения свойствбетонныхсмесей и бетонов, получаемых на их основе;методы планирования эксперимента; методытеории вероятности, математическойстатистики и корреляционногоанализа.

Обоснованность идостоверность научныхположений, выводов и рекомендацийподтверждается:

  • представительнымобъемом данных, полученных в результатеимитационного моделирования на ЭВМ, имеющих удовлетворительнуюсходимость с существующими аналитическимирешениями, атакже удовлетворениемграничных условий;
  • использованиемсовременныхпрограммных средств и методики оптимальногопланирования расчетногоэксперимента,обеспечивающих уровень достоверностирегрессионных уравнений 0,75 – 0,98;
  • испытанием более 200составов и нескольких сотен контрольныхобразцов-близнецов, обеспечивающихдоверительную вероятность0,95 при погрешности менее 10%.

Научные положения,выносимые на защиту:

  • устойчивое состояниенезакрепленной призабойной части массивапород с коэффициентом сцепления 10 –15 кПа и твердеющего бетонакрепи, достигается путем уменьшениявеличины заходки до 0,3– 0,7 м и введением оптимальногоколичества модифицирующих добавок всостав, обеспечивающих увеличение скорости набора прочности бетона по сравнению сбездобавочным: через 12 часов твердения в20 раз, а всуточном возрасте в 7 раз;
  • напряженно-деформированноесостояние монолитной бетонной крепи,возведенной вслед за подвиганием забоя,характеризуется увеличением максимальныхсжимающих напряжений в 1,2 – 1,5 раза через 9– 18 часовтвердения бетона в боку на внутреннемконтуре на расстоянии 0,9– 2,8 м отзабоя и зависит от величиныгорного давления, величины заходки, толщины крепи, сцепления грунта и изменяющихся вовремени механических характеристикбетона;
  • предельная величиназаходки вустановленном диапазоне 0,3 – 0,7 м определяется корреляционнойзависимостью от прочностимодифицированного бетона враннем возрасте при сжатии ивеличины горного давления.

Научная новизна работы состоит в:

    • установлении влияниявеличины заходки на формирование зоны пластических деформаций,смещения иустойчивостьнезакрепленной части массива, с учетом полученных зависимостей изменения механическиххарактеристик модифицированных составовбетона в раннемвозрасте;
    • получении корреляционных зависимостеймаксимальных напряжений в крепи выработкикруглой формы от: толщины крепи; величиныгорного давления на нее; величины заходки;коэффициента сцепления грунта и модуляупругости бетона, позволяющих оцениватьнапряженное состояние крепи сизменяющимися во времени механическимихарактеристиками модифицированногобетона;
    • теоретическомобосновании и разработке алгоритмарасчета параметров проведения и крепленияподземных сооружений: величины заходки,скорости подвигания забоя и толщины крепи.

Научное значениеработы заключается в выявлении основных факторов,определяющихнапряженно-деформированное состояние, иустановлении зон и величин максимальныхдействующих напряжений в упрочняющейся вовремени крепи подземных сооружений, возводимых внеустойчивых наносных породах, а такжевыявлении влияния различных модификаторовна кинетику гидратации цементов иустановлении роста механическиххарактеристик модифицированных бетонов вовремени.

Практическое значениеработызаключается в:

  • разработке составовмодифицированных бетонов для крепленияподземныхсооружений, обеспечивающих высокуюнесущую способность крепи в раннемвозрасте;
  • разработке методикипроектирования параметров проведения икрепления подземных сооружений внеустойчивых породах;
  • разработке технологиипроведения и крепления подземныхсооружений в неустойчивых породахкороткими заходками;
  • разработке методикиконтроля изменяющейся прочноститвердеющей бетонной крепи, позволяющейопределить минимально возможнуюпродолжительность проходческого цикла,при которой обеспечивается достаточныйзапас прочности крепи.

Реализация работы. Результатыработы использованы НТЦ «Наука ипрактика» наобъектах Эльконскогогорно-металлургического комбината.

Апробация работы.Основные результаты работыдокладывались на научном симпозиуме«Неделя горняка» (2007– 2009 гг.);на научно-практическойконференции «Проблемы и основные факторыразвития топливно-энергетическогокомплекса юга России» в рамках 3-гоЮжно-Российского форума«Энергоэффективная экономика», 2007 г.; в ЮРГТУ (НПИ) намеждународной научно-техническойконференции «Строительный факультет– 100-летиюуниверситета»; на 1-й, 2-й, 3-й и4-й международной научно-техническойконференции ШИ (ф) ЮРГТУ (НПИ); на 4-ой международнойнаучно-практической конференции «Бетон ижелезобетон в третьем тысячелетии», 2006 г.; на 4-ой международнойнаучно-практической конференции«Исследование, разработка и применениевысоких технологий в промышленности», 2007г.; на техническом совете ОАО «Донуголь», 2010г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14научных статей, в том числе 4 – в изданиях,входящих в перечень рекомендуемых ВАК, 9– безсоавторов.

Структура и объемработы. Диссертационнаяработа состоит из введения, 4глав, заключения, списка литературныхисточников из 89 наименований и двух приложений. Работа изложена на208 страницахмашинописного текста, содержит 19 таблиц и 80рисунков.

Основное содержаниеработы

В результате анализатехнологий строительства и конструкцийкрепей подземных сооружений, возводимых вгрунтовых массивах, можно отметить, чтонаибольшее применение находят монолитныебетонные, металло-бетонные, сборныебетонные и железобетонные крепи.Длительные сроки набора прочности бетонов,используемых в подземном строительстветребуют применения последовательнойтехнологической схемы и временной крепи,как правило, металлической. Проектирование параметров с учетом взаимодействия с массивомпород, выбор конструкций итехнологии возведения крепей освещены в работах К. А.Ардашева, И. В. Баклашова, Н. С.Булычева, А. Н.Динника, Ю. З. Заславского, Б. А. Картозия, А.П. Максимова, М. М. Протодъяконова, А. Г.Протосеня, К. В. Руппенейта, Н. Н. Фотиевой имногих других.

Изучению особенностейи закономерностей деформирования иразрушения грунтовой среды, описаниювзаимодействия с наземными и подземнымисооружениями,количественной оценкинапряженно-деформированного состояния(НДС) массивовгрунтов посвящены труды Н. Х. Арутюняна, С.С. Вялова, И. К. Зарецкого,

З. Г. Тер-Мартиросяна, В.А. Флорина, Н. А. Цитовича и др. В нихприводятся исследования механических свойствгрунтов, обоснование их математическихмоделей и описание взаимодействиягрунтового массива с инженернымисооружениями методами механики деформируемойсплошной среды. Отмечается такжеположительный опыт решения задач методамиконечных элементов (МКЭ) и конечныхразностей.

Наличие слабыхнаносных вмещающих пород, не способныхдлительное время сохранять проектныеразмеры и форму строящихся объектов, вкоторых ожидаются вывалы свода и стен, присовременном состоянии строительстваподземных сооружений предопределяет применениеспециальных способов для обеспеченияустойчивостиконтура выработок. Значительный вкладв разработку технологий иметодик проектирования специальныхмероприятий по повышениюустойчивости массива пород внесли такиеученые, как И. И.Вахрамеев, П. П. Гальченко, В. В. Знаменский, В. А. Иванюк, Б. Х. Наумов,Э. Я. Кипко, Н. Т. Логачев, Г. М. Ломтадзе, А. П.Максимов,И. Д. Насонов, Ю. А. Полозов, П. С. Сыркин, Н. Г.Трупак, Н. Т. Фатеев, М. Н. Шуплик и др. Что позволяет внастоящее время осуществлятьстроительство подземных сооруженийпрактически в любых сложныхгорногеологических условиях, но в этомслучае имеет место удорожание исущественное увеличение сроков производства работ, чтоотрицательно сказывается наинвестиционной привлекательностистроительства.

Вышеуказанные исследования не вполной мере учитывают современныедостижения вобласти быстротвердеющих бетонов исоответственно изменения несущейспособности монолитной крепи в раннемвозрасте, что при определенныхмеханическиххарактеристиках связных грунтов инебольшом промежутке времени междувыемкой породи креплением монолитным бетоном позволяетобычным способом, без обрушения,производить обнажение пород, но навеличину заходки менее метра.

Опыт применения встроительстве бетонов с высокой раннейпрочностью показывает, что существует множествоспособов и средств управления кинетикойструктурообразования и твердениябетонов (магнито- и электроактивация водызатворения, механическая активацияцемента, прогрев уложенной бетонной смеси,применение модифицирующих добавок),разработке которых посвящены работы Е.Г.Авакумова, Н. В.Астахова, В. Г. Батракова, И.Г.Блохина, А. В. Волженского, И. С.Дубинина, Ф. М. Иванова,П. Г. Комохова, А. А. Никифорова, В. А.Помазкина, Л. Н. Попова,В. Б. Ратинова, П. А.Ребиндера, Н. Б. Урьева, М. Ш.Файнер, Г. С. Ходакова, А. А. Шишкина. По результатам анализасделан вывод о том, что в подземномстроительстве быстротвердеющие бетоны не нашлиприменения, ввиду специфическойтехнологии возведения крепей в выработкахи невозможности реализации большинства способовуправления кинетикой гидратации цемента.Однако при условииразработкинаучно-обоснованных проектных итехнологических решений, возможно именеезатратно использованиемодифицирующих добавокполифункционального действия для эффективного увеличения ранней прочности бетонаи соответственно несущей способности крепи.

Проведенный анализпозволяет отметить, что при строительствеподземных сооружений в неустойчивыхгорных породах используютсявысокозатратные технологии иматериалоемкие крепи, поскольку низкаяпрочность и ползучесть глинистых грунтовне позволяет использовать несущуюспособность массива. Вместе с тем новыеэффективные материалы имеют ограниченноеприменение из-за отсутствиянаучно-обоснованных методикпроектирования и технологийкрепления.

Моделированием НДСгрунтового массива и бетонной крепипроектной прочности в призабойной частивыработки МКЭ установлено, что зонараспространения пластических деформаций ввыработке с величиной заходки 1 м (рис. 1 б) в1,7 раз больше, чем при заходке 0,3 м (рис. 1 а).Причем при заходке 1 м деформации большейчасти контура незакрепленного массивапревышают допустимые, и происходитобрушение. Таким образом, сокращениевеличины заходки позволяет уменьшитьпластические деформации незакрепленнойчасти выработки и забоя и обеспечитьустойчивость породного контура.Уменьшение объемов работ в цикле сокращаетинтервал времени между обнажением контуравыработки и укладкой бетона.

Обеспечение нормативныхтемпов строительства достигается путембыстрого набора прочности бетоном, приэтом монолитная бетонная крепь, возводимаясразу вслед за подвиганием забоя,уплотняется за опалубкой горным давлением,а после перехода в твердое состояниеначинает воспринимать нагрузки,передаваемые массивом пород. Естественно,в данном случае речь идет не об обычныхбетонах, а о быстротвердеющих ивысокопрочных.

Для получения бетонов свысокой ранней прочностью исследованысоставы, модифицированные готовымикомплексными добавками УП-5, Д-5, Д-11,«Экстра», «Реламикс М»; «Реламикс Н» и«Реламикс С», содержащими ускорителитвердения, суперпластификаторы и активныеминеральные вещества. Установлено, чтонаилучшимипоказателями обладают добавки «Экстра» иД-5, однако имеет место недостаточная скоростьгидратации в период с 9 до 24 часов из-занегативного влияния суперпластификаторов, причем именнов этот период предполагаются максимальныенапряжения в крепи. Для получениямаксимальной скорости роста прочностичерез 6 часовтвердения при сохранении жизнеспособностисмеси не менее 40 минут после затворенияисследовано влияние ряда ускорителейтвердения в составах.

Эффективность каждогоиз исследуемых ускорителей и выбороптимальной дозировки в растворепредварительно оценивалось по температурегидратации и росту пластической прочности.Лучшие результаты показанысоставом, содержащим добавку Д-5 и силикатнатрия в количестве 1,5%. На основаниииспытания образцов бетона,приготовленных по разработаннымрецептурам, установлены зависимости дляопределения роста предела прочности присжатии во времени, что необходимо длямоделирования НДС системы«крепь-массив».

Логарифмическойзависимостью хорошо описывается кинетиканабора прочности модифицированныхсоставов только после первых сутоктвердения. Для прогнозирования скоростинабора прочности бетона в раннем возрастеуравнения регрессии составлены по двуминтервалам – смомента затворения до 24 часов и с 24 до 72часов, приведенные на рисунке 2.

Оценка эффективностиприменения быстротвердеющих бетоновосуществлялась при помощи моделирования,путем определения предельной глубинызаложения выработки с минимальнойтехнически целесообразной величинойзаходки 0,3 м при сцеплении грунта, равном 0,01и 0,015 МПа. В результате установлено, чтоиспользование быстротвердеющего бетона,по сравнению с бездобавочным, значительнорасширяет область применения предлагаемойтехнологии строительства короткимизаходками как по грунтовым условиям, так ипо глубине заложения.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.