MODELING OF UNDERGROUND MINE WORKINGS IN CONSOLIDATING THE SOIL-ARRAY

Abstract


The article deals with the analysis of computer modeling of stability of underground workings in the ground array strengthen cement mixtures. Based criteria by which the results of the computer simulation, the optimum strength of reinforced soil-array. It is shown that this technology can be used to strengthen in the sinking of underground mine workings in the loose soil.


ВведениеИспользование метода гидроструйной цементации при проходке горных вы- работок повышает научный интерес к совершенствованию данной технологии. Практическая суть состоит в устройстве конструктивных элементов из укреплен- ного грунта (грунтобетона), с помощью которых могут решаться все возникающие проблемы, связанные со строительством новых или реконструкцией (усилением) существующих сооружений и с обеспечением безопасности или усилением су- ществующих строений, находящихся на прилегающих территориях. Из обшир- ного списка практических приложений технологии гидроструйной цементации можно привести основные:крепление стенок и дна котлованов при строительстве подземных соору- жений в обводненных и неустойчивых грунтах;устройство грунтобетонных вертикальных армирующих элементов в осно- вании проектируемых фундаментов плитного, ленточного или столбчатого типа (устройство ленточных фундаментов и сплошных фундаментных плит осущест- вляется взаимно пересекающимися грунтобетонными массивами);устройство грунтобетонных конструкций с армированием железобетонным сердечником или стальным каркасом;сплошное укрепление массива неустойчивых грунтов путем создания вза- имно пересекающихся закрепленных элементов массива дня последующего про-ведения проходческих работ по устойчивой породе (грунтобетону) с регламенти- рованными физико-механическими свойствами;устройство противофильтрационных завес способом «стена в массиве» для защиты водоносных горизонтов и предотвращения фильтрационных деформаций берегов рек, гидротехнических сооружений;проведение противооползневых мероприятий путем сооружения подпорных стен для повышения устойчивости склонов и откосов.Эта технология предусматривает размыв и разрушение грунта под воздействи- ем энергии струи (имеющей давление до 800 МПа) цементной суспензией при одновременном смешении и частичном замещении грунта цементной суспензи- ей [3; 4]. В результате после твердения грунтоцементной массы образуется грун- тобетон, в котором роль заполнителя играют частицы и агрегаты размываемого грунта. По своему составу получаемый грунтобетон может быть близок к мелко- зернистым бетонам, особенно если разрушаемый грунт представлен песчаными разностями. Однако в отличие от обычных бетонов грунтобетон, получаемый по струйной технологии, характеризуется существенно меньшей однородностью даже в тех случаях, когда для ее повышения используются специальные пласти- фицирующие добавки. Тем не менее, если учитывать эту неоднородность, полу- чаемый материал можно с успехом использовать для создания тех или иных эле- ментов инженерных конструкций (подземных, подпорных и т.п.).На сегодняшний день высокая изученность свойств получаемого материала дает возможность прогнозировать прочность закрепляемого массива. После из- учения существующей технологической схемы закрепления грунтов методом ги- дроструйной цементации и последующего анализа практических результатов встает вопрос о необходимости ее оптимизации в целях снижения материальных и физических затрат на строительные работы. Так, при строительстве ряда тон- нелей в г. Москве закреплению подвергался весь участок проходки разведочных штолен. Разработка грунта происходила горнопроходческим комбайном с по- следующей установкой рамного крепления. На следующем этапе армировались и бетонировались стены, лоток и потолочина выработки. Закрепление массива и последующая проходка выработок характеризовались повышенной трудоем- костью в производственном цикле работ.Предлагаемая методикаПредлагаемая технологическая схема проходки горных выработок в грунто- цементном массиве разрабатывалась с целью оптимизации затрат на горнопро- ходческие работы. Для численного моделирования и подбора необходимых па- раметров использовался программный комплекс Phase-2 фирмы Rocsciense, ос- нованный на методе конечных элементов.В качестве прочностного критерия материалов модели используется обобщен- ный критерий Хука-Брауна [1]. Тип породы в соответствии с этим критерием задается при помощи эмпирических констант mi, GSI и D, определяемых в со- ответствии с особыми экспериментальными натурными и лабораторными мето- диками, которые призваны связать их со свойствами, структурными особенно- стями, степенью трещиноватости породного массива [2].На первом этапе моделирования была выбрана горная выработка круглого сечения диаметром 2 м, проходимая в закрепленном массиве на глубине 50 м. Закрепление носило частичный характер, и грунт в теле выработки не был под- вержен закреплению. Данный способ облегчает проходческие работы и исклю- чает необходимость использования комбайна для разрушения грунтобетона.В грунтовый состав закрепляемого массива входили песок, супесь, суглинок и глина. Прочность на одноосное сжатие грунтобетонного массива принималась равной 6 МПа. В данном случае коэффициент запаса прочности на контуре гор- ной выработки меньше 1, что свидетельствует о неустойчивости и возможности обрушения пород в границах контура.На втором этапе вокруг горной выработки было смоделировано закрепитель- ное кольцо. Физико-механические свойства закрепленного кольца были при- няты выше, чем у основного массива. Прочность на одноосное сжатие закрепи- тельного кольца принималась равной 10 МПа. По геометрическим характери- стикам закрепительное кольцо тождественно зоне обрушения пород и составляет 32% от площади выработки. Коэффициент запаса прочности на кон- туре горной выработки выше или равен 1, что свидетельствует об устойчивости на контуре горной выработки. Для характеристики устойчивости горной выра- ботки также фиксировались вертикальные и горизонтальные смещения. Значения вертикальных и горизонтальных смещений не превышали 2 см. Исходя из этого можно сделать вывод о возможности использования предлагаемой технологии при проходке выработок в условиях плотной городской застройки, где вопрос о повышении деформационной способности грунтов является одним из основных.ВыводыРезультаты численного моделирования говорят о том, что данная технология закрепления дает возможность реализовать проходку горной выработки при ча- стичном закреплении массива.Последующие стадии моделирования были направлены на изучение изменения коэффициента запаса на контуре горной выработки при локальном закреплении защитного кольца в зоне свода выработки, в зоне основания выработки, в зоне участков концентрации напряжений при дальнейших горнопроходческих работах. Изменяя физико-механические свойства грунтобетона путем добавления пла- стификаторов или армирующих элементов, можно увеличить прочностные свой- ства закрепительной области и оптимизировать затраты на дальнейшие строи- тельно-монтажные работы.Данный анализ на стадии проектирования позволяет совершенствовать тех- нологическую схему горнопроходческих работ, уменьшить материальные затра- ты и оптимизировать сроки работ.Использование грунтобетона вместо железобетонов в качестве материала для закрепления грунтового массива позволяет значительно снизить себестоимость проходки выработок в неблагополучных с инженерной точки зрения условиях.© Величко Д.В., Дронов А.Н., Терешин А.А., 2017

Dmitry V Velichko

Russian State Geological Prospecting University

Author for correspondence.
Email: dmitrii_velichko@mail.ru
Miklukho-Maklaya str., 23, Moscow, Russia, 117485

Senior Lecturer, Department of Mining

Andrei N Dronov

Peoples’ Friendship University of Russia

Email: dronov_ann@rudn.university
Miklukho-Maklaya str., 6, Moscow, Russia, 117198

Senior Lecturer, Department of Geology, Mining and Petroleum Engineering

Alexander A Tereshin

Peoples’ Friendship University of Russia

Email: tereshin_aa@pfur.ru
Miklukho-Maklaya str., 6, Moscow, Russia, 117198

Ph.D., Associate Professor of the Department of Geology, Mining and Petroleum Engineering

  • Croce P., Flora A. Analysis of single­fluid jet grouting // Geotechnique. 2000. Т. 50. № 6. Pp. 739—748.
  • Modoni G., Croce P., Mongiovi L. Theoretical modelling of jet grouting // Géotechnique. 2006. Т. 56. № 5. Pp. 335—348.
  • Malinin A.G., Gladkov I.L., Malinin D.A. Ehksperimental’nye issledovaniya parametrov strujnoj tekhnologii v razlichnyh gruntovyh usloviyah // Metro i tonneli. 2010. № 3. S. 32—33.
  • Ter­Martirosyan Z.G., Strunin P.V. Strengthening weak soils in the basis of foundation slabs with use of technology of jet grouting // Vestnik MGSU. 2010. № 4­2. P. 310—315.

Views

Abstract - 384

PDF (Russian) - 145

PlumX


Copyright (c) 2017 Velichko D.V., Dronov A.N., Tereshin A.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.