Исследование формирования напряженно-деформированного состояния крепи вертикального ствола и вмещающего массива горных пород в условиях неравномерности его контура

С помощью математического моделирования проанализировано влияние неровного контура выработки на неравномерность распределения напряжений во вмещающем массиве и на контуре крепи ствола. При строительстве горных выработок получаемый контур крепи зачастую имеет неидеальную форму. На неровном контуре крепи происходит перераспределение нагрузки, что приводит к концентрации напряжений и негативно сказывается на работе крепи. В настоящее время при решении подобных задач геомеханики не принято рассматривать неровности контура в явном виде, однако с ростом мощностей вычислительной техники это становится возможным. Смоделированы три случая распределения напряжений на контуре крепи вертикального ствола с различными условиями. Установлено, что уровень напряжений приконтурного массива определяется геометрией неровности и ориентацией вектора главных напряжений. Была получена качественная зависимость, связывающая геометрию неровности и тангенциальные напряжения на контуре крепи, а также зависимость развития пластических деформаций от геометрии неровности. Поскольку полностью избежать появления неровного контура на данном этапе развития горной индустрии невозможно, необходимо тщательно рассчитывать количество взрывчатого материала, учитывать геологию и тектонику месторождения и многие другие аспекты.

Деменков П. А., Романова Е. Л., Котиков Д. А. Исследование формирования напряженно-деформированного состояния крепи вертикального ствола и вмещающего массива горных пород в условиях неравномерности его контура // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2023. – № 11. – С. 33–48. DOI: 10.25018/0236_ 1493_2023_11_0_33.

Деменков Петр Алексеевич¹ — д-р техн. наук, профессор, декан Строительного факультета, e-mail: demenkov_pa@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0003-1599-8080,
Романова Екатерина Леонидовна¹ — аспирант, e-mail: s215064@stud.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0002-4448-4292,
Котиков Дмитрий Александрович¹ — канд. техн. наук, старший научный сотрудник, Научный центр геомеханики и проблем горного производства, e-mail: Kotikov_DA@pers.spmi.ru,
¹ Санкт-Петербургский горный университет.

Романова Е.Л., e-mail: ekaterina.romanova.1997@mail.ru.

1. Казикаев Д. М., Сергеев С. В. Диагностика и мониторинг напряженного состояния крепи вертикальных стволов. — М.: Изд-во «Горная книга», 2011. — 244 c.

2. Козел А. М. Геомеханические вопросы проектирования и поддержания шахтных стволов. — СПб.: Недра, 2010. — 287 с.

3. Крупенников Г. А., Булычев Н. С., Козел А. М., Филатов Н. А. Взаимодействие массивов горных пород с крепью вертикальных выработок. — М.: Недра, 1966. — 314 с.

4. Трушко В. Л., Протосеня А. Г., Матвеев П. Ф., Совмен Х. М. Геомеханика массивов и динамика выработок глубоких рудников. — СПб.: СПбГИ, 2000. — 396 c.

5. Singh S. P. Prediction and determination of explosive induced damage / Fragblast 4: 4th International conference on rock fragmentation by blasting (Vienna, Austria, July 1993), 1993,pp. 183—192.

6. Himanshu V. K., Mishra A. K., Roy M. P., Vishwakarma A. K., Singh P. K. Numerical simulation based approach for assessment of blast induced deformation pattern in slot raise excavation // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2021, vol. 144, article 104816. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2021.104816.

7. Chakraborty A. K., Jethwa J. L., Paithankar A. G. Effects of joint orientation and rock mass quality on tunnel blasting // Engineering Geology. 1994, vol. 37, no. 3-4, pp. 247—262. DOI: 10.1016/0013-7952(94)90059-0.

8. Рыбак С. А. Особенности строительства и крепления вертикальных стволов в тектонически напряженном горном массиве // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2008. — № 5. — С. 200—206.

9. Dhekne P. Y., Balakrishnan V., Jade R. K. Effect of type of explosive and blast hole diameter on boulder count in limestone quarry blasting // Geotechnical and Geological Engineering. 2020, vol. 38, no. 5, pp. 4091—4097. DOI: 10.1007/s10706-020-01280-y.

10. Agrawal H., Mishra A. K. Probabilistic analysis on scattering effect of initiation systems and concept of modified charge per delay for prediction of blast induced ground vibrations // Measurement. 2018, vol. 130, pp. 306—317. DOI: 10.1016/j.measurement.2018.08.032.

11. Agrawal H., Mishra A. K. Modified scaled distance regression analysis approach for prediction of blast-induced ground vibration in multi-hole blasting // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2019, vol. 11, no. 1, pp. 202—207. DOI: 10.1016/j.jrmge.2018.07.004.

12. Протосеня А. Г., Катеров А. М. Развитие напряженно-деформированного состояния комбинированной крепи вертикального ствола, пройденного в соляном массиве // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 6-1. — С. 100—113. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_61_0_100.

13. Karasev M. A., Protosenya A. G., Katerov A. M., Petrushin V. V. Analysis of shaft lining stress state in anhydrite-rock salt transition zone // Rudarsko Geolosko Naftni Zbornik. 2022, vol. 37, no. 1, pp. 151—162. DOI: 10.17794/rgn.2022.1.13.

14. Walton G., Kim E., Sinha S., Sturgis G., Berberick D. Investigation of shaft stability and anisotropic deformation in a deep shaft in Idaho, United States // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2018, vol. 105, pp. 160—171. DOI: 10.1016/j. ijrmms.2018.03.017.

15. Беляков Н. А., Морозов К. В., Емельянов И. А. Методика обработки данных полевых испытаний по оценке естественного напряженного состояния горного массива методом кольцевой разгрузки // Горный журнал. — 2023. — № 5. — С. 89—96. DOI: 10.17580/ gzh.2023.05.13.

16. Рыбак Я., Хайрутдинов М. М., Кузиев Д. А., Конгар-Сюрюн Ч. Б., Бабырь Н. В. Прогнозирование геомеханического состояния массива при отработке соляных месторождений с закладкой // Записки Горного института. — 2022. — Т. 253. — С. 61—70. DOI: 10.31897/ PMI.2022.2.

17. Кашников Ю. А., Ермашов А. О., Ефимов А. А. Геолого-геомеханическая модель участка Верхнекамского калийного месторождения // Записки Горного института. — 2019. — Т. 237. — С. 259—267. DOI: 10.31897/pmi.2019.3.259.

18. Протосеня А. Г., Алексеев А. В., Вербило П. Э. Прогноз напряженно-деформированного состояния и устойчивости лба забоя тоннеля при пересечении нарушенных зон грунтового массива // Записки Горного института. — 2022. — Т. 254. — С. 252—260. DOI: 10.31897/PMI.2022.26.

19. Chou W. I., Bobet A. Predictions of ground deformations in shallow tunnels in clay // Tunnelling and Underground Space Technology. 2002, vol. 17, no. 1, pp. 3—19. DOI: 10.1016/ S0886-7798(01)00068-2.

20. Yasuda N., Tsukada K., Asakura T. Elastic solutions for circular tunnel with void behind lining // Tunnelling and Underground Space Technology. 2017, vol. 70, pp. 274—285. DOI: 10.1016/j.tust.2017.08.032.

21. Wang J., Huang H., Xie X., Bobet A. Void-induced liner deformation and stress redistribution // Tunnelling and Underground Space Technology. 2014, vol. 40, pp. 263—276. DOI: 10.1016/j.tust.2013.10.008.

22. Yasuda N., Tsukada K., Asakura T. Three-dimensional seismic response of a cylindrical tunnel with voids behind the lining // Tunnelling and Underground Space Technology. 2019, vol. 84, pp. 399—412. DOI: 10.1016/j.tust.2018.11.026.

23. Zeng B., Huang D., He J. Analysis of double-O-tube shield tunnelling-induced soil deformation due to ground loss // Géotechnique Letters. 2016, vol. 6, no. 1, pp. 7—15. DOI: 10.1680/jgele.15.00099.

24. Ерофеев Л. М., Мирошникова Л. А. Повышение надежности крепи горных выработок. — М.: Недра, 1988. — 247 с.

25. Chen Z., Jia P. Three-dimensional analysis of effects of ground loss on static and seismic response of shafts // Tunnelling and Underground Space Technology. 2019, vol. 92, article 103067. DOI: 10.1016/j.tust.2019.103067.

26. Bock S. Numerical modelling of a void behind shaft lining using FDM with a concrete spalling algorithm // Journal of Sustainable Mining. 2014, vol. 13, no. 2, pp. 14—21. DOI: 10.7424/jsm140203.

27. Карасев М. А., Петрушин В. В., Рысин А. И. Применение метода конечно-дискретных элементов для описания механики поведения соляных пород на макроструктурном уровне // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 4. — С. 48—66. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_4_0_48.

28. Карасев М. А., Буслова М. А., Вильнер М. А., Нгуен Т. Т. Методика прогноза напряженно-деформированного состояния крепи вертикального ствола на участке сопряжения с горизонтальной выработкой в соляных породах // Записки Горного института. — 2019. — Т. 240. — С. 628—637. DOI: 10.31897/PMI.2019.6.628.

29. Belyakov N., Smirnova O., Alekseev A., Tan H. Numerical simulation of the mechanical behavior of fiber-reinforced cement composites subjected dynamic loading // Applied Sciences. 2021, vol. 11, no. 3, article 1112. DOI: 10.3390/app11031112.

30. Мустафин М. Г., Кологривко А. А., Васильев Б. Ю. Анализ точности построения цифровых моделей рельефа на основе данных периодического воздушного лазерного сканирования горнопромышленного объекта // Горный журнал. — 2023. — № 2. — С. 56—62. DOI: 10.17580/gzh.2023.02.09.

31. Беликов А. А., Беляков Н. А. Методика прогноза напряженно-деформированного состояния междукамерных целиков, закрепленных податливой тросовой крепью // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 4. — С. 20—34. DOI: 10. 25018/0236_1493_2023_4_0_20.

32. Протосеня А. Г., Катеров А. М. Обоснование параметров реологической модели соляного массива // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 3. — С. 16—28. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_3_0_16.

33. Hafezolghorani M., Hejazi F., Vaghei R., Jaafar M. S. B., Karimzade K. Simplified damage plasticity model for concrete // Structural Engineering International. 2017, vol. 27, no. 1,pp. 68—78. DOI: 10.2749/101686616X1081.

34. Pekau O. A., Zhang Z. X. Strain-space cracking model for concrete and its application // Computers & Structures. 1994, vol. 51, no. 2, pp. 151—162. DOI: 10.1016/0045-7949(94)90046-9.

35. Chen A. C. T., Chen W. F. Constitutive relations for concrete // Journal of the Engineering Mechanics Division. 1975, vol. 101, no. 4, pp. 465—481. DOI: 10.1061/JMCEA3.0002034.

36. Grassl P., Lundgren K., Gylltoft K. Concrete in compression: a plasticity theory with a novel hardening law // International Journal of Solids and Structures. 2002, vol. 39, no. 20, pp. 5205—5223. DOI: 10.1016/S0020-7683(02)00408-0.