МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПОДЗЕМНОЙ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ В ЗАКРЕПЛЕННОМ ГРУНТОБЕТОННОМ МАССИВЕ

Полный текст

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

Об авторах

Дмитрий Владимирович Величко

Российский государственный геологоразведочный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: dmitrii_velichko@mail.ru

старший преподаватель кафедры горного дела

ул. Миклухо-Маклая, д. 23, Москва, Россия, 117485

Андрей Николаевич Дронов

Российский университет дружбы народов

Email: dronov_ann@rudn.university

старший преподаватель департамента геологии, горного и нефтегазового дела

ул. Миклухо-Маклая, д. 6, Москва, Россия, 117198

Александр Александрович Терешин

Российский университет дружбы народов

Email: tereshin_aa@pfur.ru

кандидат технических наук, доцент департамента геологии, горного и нефтегазового дела

ул. Миклухо-Маклая, д. 6, Москва, Россия, 117198

Список литературы