Исследование устойчивости выработки с набрызгбетонной крепью с использованием численного моделирования методом конечных элементов
Виконано огляд літературних даних за умовами використання набризкбетонного кріплення на шахтах України. Розглянуто області застосування набризкбетонних кріплень. Розв'язано задачу з визначення коефіцієнта запасу стійкості для набризкбетонного кріплення при різних значеннях γН / R і проектної м...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Геотехническая механика |
|---|---|
| Datum: | 2010 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2010
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33520 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Исследование устойчивости выработки с набрызгбетонной крепью с использованием численного моделирования методом конечных элементов / В.В. Коваленко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 218-225. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859901915342569472 |
|---|---|
| author | Коваленко, В.В. |
| author_facet | Коваленко, В.В. |
| citation_txt | Исследование устойчивости выработки с набрызгбетонной крепью с использованием численного моделирования методом конечных элементов / В.В. Коваленко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 218-225. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геотехническая механика |
| description | Виконано огляд літературних даних за умовами використання набризкбетонного кріплення на шахтах України. Розглянуто області застосування набризкбетонних кріплень. Розв'язано задачу з визначення коефіцієнта запасу стійкості для набризкбетонного кріплення
при різних значеннях γН / R і проектної марці набризкбетону з використанням методу скінченних елементів. Досліджено варіанти для двох ситуацій з різною конструкцією кріплення виробки – з набризкбетонним кріпленням, а також з набризкбетонним кріпленням і тампонажем.
A review of published data on the conditions of use of shotcrete lining in mines in Ukraine is done.
The fields of application of sprayed concrete support are considered. The problem of determining the
safety factor for the shotcrete lining at various values of γH / R and design mark of sprayed concrete using finite element method is solved. Variants for two situations with different design lining of working –
with sprayed concrete support, as well as sprayed concrete support and backfill are studied.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:57:40Z |
| format | Article |
| fulltext |
218 "Геотехническая механика"
УДК 622.281.424.001.57
В.В. Коваленко, канд. техн. наук
(НГУ)
ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ВЫРАБОТКИ С
НАБРЫЗГБЕТОННОЙ КРЕПЬЮ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕТОДОМ
КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Виконано огляд літературних даних за умовами використання набризкбетонного кріп-
лення на шахтах України. Розглянуто області застосування набризкбетонних кріплень. Роз-
в'язано задачу з визначення коефіцієнта запасу стійкості для набризкбетонного кріплення
при різних значеннях γН / R і проектної марці набризкбетону з використанням методу скін-
ченних елементів. Досліджено варіанти для двох ситуацій з різною конструкцією кріплення ви-
робки – з набризкбетонним кріпленням, а також з набризкбетонним кріпленням і тампонажем.
INVESTIGATION OF STABILITY OF WORKING WITH
SHOTCRETE SUPPORT WITH USE OF NUMERICAL
SIMULATION OF FINITE ELEMENTS METHOD
A review of published data on the conditions of use of shotcrete lining in mines in Ukraine is done.
The fields of application of sprayed concrete support are considered. The problem of determining the
safety factor for the shotcrete lining at various values of γH / R and design mark of sprayed concrete us-
ing finite element method is solved. Variants for two situations with different design lining of working –
with sprayed concrete support, as well as sprayed concrete support and backfill are studied.
Введение. Обеспечение возможности использования набрызгбетона на
больших глубинах является важной научно-практической задачей. Область ис-
пользования набрызгбетона в значительной степени ограничивается имеющим-
ся опытом ведения набрызгбетонных работ на глубинах до 500 м. Использова-
ние набрызгбетонных крепей на более глубоких горизонтах связано с выполне-
нием работ по обоснованию использования набрызгбетона с использованием
математических моделей и практических экспериментов.
Состояние вопроса, выделение нерешенной части проблемы. Условия при-
менения набрызгбетона в «чистом» виде (без комбинации с усиливающими кре-
пежными элементами) определяются способностью покрытия воспринимать сме-
щение породного контура без разрушения, т.е. его деформативной способностью.
Аналитические решения деформативной способности набрызгбетона [1, 2,
3] показывают, что трещинообразование бетонной крепи начинается при сме-
щениях пород 10…20 мм.
Экспериментальными наблюдениями НИГРИ, Криворожского филиала
ВНИИОМШСа установлено, что набрызгбетон и монолитный бетон в крепи
арочной формы может воспринимать смещения до 50…90 мм.
Результаты натурных наблюдений позволили оценить допустимые смеще-
ния кровли выработки при использовании набрызгбетонной крепи и определить
условия ее применения в основных горных выработках Донбасса.
За критерий применимости набрызгбетонной крепи в «чистом» виде в рабо-
те [4] используется условие:
Выпуск № 91 219
014,0≤
а
U
К , (1)
где UK – критические смещения породного контура, a – ширина выработки.
Из работы [1] следует, что условие (1) соответствует значениям критерия
устойчивости γН/R≤0,3.
Полученные в результате исследований [1] области применения конструк-
ций набрызгбетонных крепей показаны на рис. 1. и приведены в табл. 1.
20
40
60
80
300 500 700 900 Н, м
R, МПа
I
II
III
I – в чистом виде; II – комбинированных;
III – в сочетании с тампонажем закрепного пространства.
Рис. 1 – Графики для определения области применения набрызгбетонных крепей:
Таблица 1 – Примерные области применения набрызгбетонных крепей [4]
Рекомендуемая конструкция крепи
γН/R
Толщина набрызгбетона,
мм
Элемент усиления крепи
0,25 <50 –
0,25-0,3 50…80 –
0,31-0,4 50…80 Анкеры, анкеры с сеткой
0,41-0,45 80…100 Металлические арки
Как видно из таблицы 1 при показателе γН/R≥0,4 применение набрызгбето-
на целесообразно в сочетании с элементами усиления. Однако, достичь более
высоких показателей прочности крепи можно при увеличении толщины на-
брызгбетонного покрытия и в случае неблагоприятных условий, связанных с
наличием значительной области трещиноватых пород, выполнения соответст-
вующего тампонажа пород.
Как правило, наиболее широко набрызгбетон используется в условиях
γН/R≤0,4. Для использования в более сложных условиях стараются использо-
вать металлическую крепь, зачастую избегая возможности выполнения более
механизированных работ по набрызгу смеси.
В этой связи, значительный интерес представляют исследования, направ-
220 "Геотехническая механика"
ленные на расширение области использования набрызгбетона. Увеличение глу-
бины, на которой может быть использован набрызгбетон, возможно на основа-
нии результатов математического моделирования.
Цель работы – определение коэффициента запаса устойчивости для на-
брызгбетонной крепи при различных значениях γН/R, а также проектной марке
набрызгбетона с использованием метода конечных элементов.
Изложение основного материала исследования.
При увеличении глубины на крепь горной выработки действует нагрузка со
стороны породного массива, численно равная значению γН. Устойчивость кре-
пи в значительной степени зависит от размеров действующей со стороны при-
контурного массива нагрузки, а также физико-механических свойств вмещаю-
щих пород и материала крепи. Для условий заданной глубины варьируются па-
раметры набрызгбетонного покрытия, а также исследуются случаи возведения
собственно набрызгбетонной крепи, а также набрызгбетонной крепи с тампо-
нажем закрепного пространства. Второй случай подразумевает, что предвари-
тельно устанавливается анкерная крепь, происходит разгрузка массива с обра-
зованием области трещиноватых пород. Осуществляется нанесение набрызгбе-
тонного покрытия и затем производится последующий тампонаж зоны ослаб-
ленных пород. Для данного случая моделируются набрызгбетонная крепь и об-
ласть затампонированных пород на глубину 1,5 м.
Моделируются условия, характерные для глинистых пород (аргиллитов,
алевролитов), породы – однородные изотропные. По периметру модели прило-
жена нагрузка, соответствующая параметру γН. Основные параметры модели
выработки, закрепленной набрызгбетоном, представлены в табл. 2.
Таблица 2 – Физико-механические параметры модели
Наименование
материала
Предел
прочности
на одноосное
сжатие, МПа
Коэффициент
Пуассона
Модуль упруго-
сти, МПа [6]
Объемный вес,
МН / м3
Аргиллит 30 0,23 2,4 · 104 2,5 · 10 –2
Набрызгбетон 40 0,2
2,35 · 104
2,55 · 104
2,85 · 104
2,2 · 10 –2
Тампонаж 15 0,28 1,6 · 104 2 · 10 –2
Решение выполнялось для двух основных ситуаций выработки с набрызгбе-
тонной крепью (ситуация А) и выработки с набрызгбетонной крепью и тампо-
нажем (ситуация Б). Данные ситуации являются наиболее характерными для
условий использования набрызгбетона – собственно набрызгбетонная крепь и
набрызгбетонная крепь в сочетании с тампонажем закрепного пространства. В
ходе выполнения работ по математическому моделированию варьировались ос-
новные технологические параметры – глубина расположения выработки и мар-
ка используемого набрызгбетона. Всего было исследовано 18 вариантов. Ха-
рактеристика рассмотренных вариантов дана в таблице 3.
Выпуск № 91 221
Таблица 3 – Геомеханические ситуации, моделируемые в ходе численных экспериментов
Ситуация Характеристика
Глубина расположе-
ния, м
Марка набрызгбе-
тона
1 300
2 400
3
500
500
4 300
5 400
6
600
500
7 300
8 400
А
9
Выработка с набрызгбетонной
крепью
700
500
1 300
2 400
3
500
500
4 300
5 400
6
600
500
7 300
8 400
Б
9
Выработка с набрызгбетонной
крепью и тампонажем
700
500
На рис. 2 и 3 представлены расчетные схемы для проведения математиче-
ского моделирования соответственно выработок с набрызгбетонной крепью, а
также с набрызгбетонной крепью и тампонажем.
Рис. 2 – Расчетная схема выработки с набрызгбетонной крепью, толщиной 20 см.
222 "Геотехническая механика"
Рис. 3 – Расчетная схема выработки с набрызгбетонной крепью, толщиной 20 см
и тампонажем закрепного пространства на глубину 1,5м.
Для проведения численного моделирования использован метод конечных
элементов. Построение модели осуществлялось с использованием программы
Cosmos/M 2.6.
Эпюры эквивалентных напряжений для ситуаций А-9 и Б-9 представлены на
рис. 4, 5.
Рис. 4 – Эпюра эквивалентных напряжений для выработки с крепью из набрызгбетона
марки М500, расположенной на глубине 700м
Выпуск № 91 223
Рис. 5 – Эпюра эквивалентных напряжений для выработки с крепью из набрызгбетона
марки М500 и тампонажем, расположенной на глубине 700м
Первоначально была рассмотрена ситуация при которой выработка закреп-
лена только набрызгбетонной крепью. Для данной ситуации с использованием
программы Cosmos/M были получены эпюры эквивалентных напряжений. За-
тем в точках элементов на контуре крепи, в диапазоне от 0 до 90º, брались мак-
симальные значения эквивалентных напряжений и сравнивались с пределом
прочности на сжатие. На основе полученных результатов проверялось выпол-
нение критерия устойчивости материала крепи, характеризующего переход на-
брызгбетонной крепи в состояние потери устойчивости. При выполнении рас-
четов этот критерий принят в форме коэффициента устойчивости:
экв
сж
у
R
К
σ
= , (2)
где – Rсж – предел прочности набрызгбетона на одноосное сжатие, σэкв – эк-
вивалентные напряжения, возникающие в материале крепи.
Коэффициент устойчивости Ку характеризовал состояние конструкции кре-
пи. В случае если Ку<1 – следовательно, конструкция крепи характеризуется
состоянием потери устойчивости. И напротив, если Ку>1 – элементы конструк-
ции не испытывают предельно напряженного состояния и конструкция нахо-
дится в устойчивом состоянии.
Таким образом, устанавливается зависимость состояния крепи от парамет-
ров глубины расположения выработки и марки набрызгбетона.
На рисунках 6, 7 представлены результаты математического моделирования
изменения коэффициента устойчивости в зависимости от глубины расположе-
ния выработки и марки набрызгбетона.
224 "Геотехническая механика"
0,97
1,126
1,35
0,85
0,99
1,19
0,69
0,80
0,96
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
500 600 700 Н, м
Ку
М500
М400
М300
Ку>1 устойчивое состояние
Ку<1 состояние потери
устойчивости
Рис. 6 – Изменение коэффициента устойчивости выработки с набрызгбетонной крепью
в зависимости от глубины расположения выработки и марки набрызгбетона
Как видно из рисунка относительно благоприятными можно считать усло-
вия поддержания выработки на глубине 500 метров с использованием набрыз-
гбетона марки М 300, в случае последующего увеличения глубины до 600 мет-
ров целесообразным является увеличение марки до М 400. При глубине выра-
ботки – 700 метров близкое к устойчивому состоянию будет обеспечивать
крепь из набрызгбетона М 500. Использование набрызгбетона марок М 400 и
М 500 на глубине расположения выработки 500 метров хотя и обеспечивает бо-
лее высокий коэффициент устойчивости, однако ведет к значительному пере-
расходу материалов.
1,22
0,87
1,01
1,07
0,78
0,89
0,86
0,62
0,72
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
500 600 700 Н, м
Ку
М500
М400
М300
Ку>1 устойчивое состояние
Ку<1 состояние потери
устойчивости
Рис. 7 – Изменение коэффициента устойчивости выработки с набрызгбетонной крепью и
тампонажем в зависимости от глубины расположения выработки и марки набрызгбетона
Выпуск № 91 225
При сравнении графиков на рис. 6 и 7 является очевидным снижение коэф-
фициентов устойчивости выработки в среднем на 11%. Это происходит по при-
чине того, что в первом случае (ситуация А) выработка рассматривается как
идеализированная, с ненарушенными вмещающими породами, тогда как второй
случай (ситуация Б) рассматривает выработку, ослабленную слоем разрушен-
ных пород в приконтурной зоне, для обеспечения устойчивости которых вы-
полнен тампонаж. Тампонаж закрепного пространства не обеспечивает полного
восстановления прочностных параметров пород, а создает новый слой породо-
бетона со свойственными ему физико-механическими параметрами (см.
табл. 2).
Из рисунка 7 следует, что с увеличением глубины от 500 до 600 метров для
обеспечения устойчивости необходимым является переход на марки набрыз-
гбетона большей прочности (с М 400 на М 500). Последующее увеличение глу-
бины вызывает необходимость использования комбинированной крепи – уси-
ления набрызгбетона фибрами или сеткой.
Выводы.
1. Использование численного моделирования хотя и имеет определенные
ограничения по использованию, однако позволило получить зависимости изме-
нения напряженно-деформированного состояния от глубины расположения вы-
работки и марки используемого набрызгбетона.
2. При креплении выработки набрызгбетоном в условиях ненарушенных
вмещающих пород анализом установлено наиболее целесообразное использо-
вание набрызгбетона марки М 300 для крепи выработки на глубине 500м, про-
ектной марки М 400 – для выработки на глубине 600м и набрызгбетона марки
М 500 – для выработки, расположенной на глубине 700м.
3. При креплении выработки набрызгбетоном и проведении тампонажа с по-
зиций численного моделирования наиболее целесообразно уже на глубине 500
м использование набрызгбетона проектной марки М 400, на глубине 600 м –
набрызгбетона марки М 500, а на глубине 700 м проведение дополнительных
исследований на возможность использования в качестве элементов усиления
различного типа фибр.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Глушко В.Т., Долинина Н.Н., Розовский М.И. Устойчивость горных выработок. Киев, Наукова думка.
1973.
2. Ержанов Ж.С., Айталиев Ш.М., Шилкин П.И. Конструирование и расчет набрызгбетонной крепи. М.,
Недра, 1971.
3. Либерман Ю.М. Напряженное состояние монолитной бетонной крепи. – Физико-технические проблемы
разработки полезных ископаемых, 1971, №3, с. 119-121.
4. Заславский И.Ю., Быков А.В., Компанец В.Ф. Набрызгбетонная крепь. – М.: Недра, 1986. 198 с.
5. Шашенко А.Н., Сдвижкова Е.А., Гапеев С.Н. Деформируемость и прочность массивов горных пород:
Монография. – Д.: Национальный горный университет, 2008. – 224 с.
6. Технологические правила применения набрызгбетона при ремонте и реконструкции инженерных соору-
жений. Москва: «Транспорт». 1978.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-33520 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:57:40Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Коваленко, В.В. 2012-05-28T15:44:28Z 2012-05-28T15:44:28Z 2010 Исследование устойчивости выработки с набрызгбетонной крепью с использованием численного моделирования методом конечных элементов / В.В. Коваленко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 218-225. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33520 622.281.424.001.57 Виконано огляд літературних даних за умовами використання набризкбетонного кріплення на шахтах України. Розглянуто області застосування набризкбетонних кріплень. Розв'язано задачу з визначення коефіцієнта запасу стійкості для набризкбетонного кріплення при різних значеннях γН / R і проектної марці набризкбетону з використанням методу скінченних елементів. Досліджено варіанти для двох ситуацій з різною конструкцією кріплення виробки – з набризкбетонним кріпленням, а також з набризкбетонним кріпленням і тампонажем. A review of published data on the conditions of use of shotcrete lining in mines in Ukraine is done. The fields of application of sprayed concrete support are considered. The problem of determining the safety factor for the shotcrete lining at various values of γH / R and design mark of sprayed concrete using finite element method is solved. Variants for two situations with different design lining of working – with sprayed concrete support, as well as sprayed concrete support and backfill are studied. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехническая механика Исследование устойчивости выработки с набрызгбетонной крепью с использованием численного моделирования методом конечных элементов Investigation of stability of working with shotcrete support with use of numerical simulation of finite elements method Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование устойчивости выработки с набрызгбетонной крепью с использованием численного моделирования методом конечных элементов Коваленко, В.В. |
| title | Исследование устойчивости выработки с набрызгбетонной крепью с использованием численного моделирования методом конечных элементов |
| title_alt | Investigation of stability of working with shotcrete support with use of numerical simulation of finite elements method |
| title_full | Исследование устойчивости выработки с набрызгбетонной крепью с использованием численного моделирования методом конечных элементов |
| title_fullStr | Исследование устойчивости выработки с набрызгбетонной крепью с использованием численного моделирования методом конечных элементов |
| title_full_unstemmed | Исследование устойчивости выработки с набрызгбетонной крепью с использованием численного моделирования методом конечных элементов |
| title_short | Исследование устойчивости выработки с набрызгбетонной крепью с использованием численного моделирования методом конечных элементов |
| title_sort | исследование устойчивости выработки с набрызгбетонной крепью с использованием численного моделирования методом конечных элементов |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33520 |
| work_keys_str_mv | AT kovalenkovv issledovanieustoičivostivyrabotkisnabryzgbetonnoikrepʹûsispolʹzovaniemčislennogomodelirovaniâmetodomkonečnyhélementov AT kovalenkovv investigationofstabilityofworkingwithshotcretesupportwithuseofnumericalsimulationoffiniteelementsmethod |