Моделирование потери устойчивости и разрушения тюбинговой крепи шахтного ствола
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2025.18.4.31Ключевые слова:
шахтный ствол, тюбинговая крепь, тампонаж, численное моделирование, деформационная прочность, устойчивость, критическое состояниеАннотация
Целостность и деформационная надежность элементов шахтного ствола играют значительную роль в процессе добычи полезных ископаемых. Нарушение целостности может привести к поступлению воды в шахту и, в конечном итоге, к затоплению рудника. Деформационная прочность и надежность шахтного ствола в значительной степени обуславливаются эффективностью и корректностью всех этапов изготовления тюбинговой крепи. В данной работе представлены результаты численного моделирования процесса деформирования тюбингового кольца под действием неравномерного давления, которое может возникнуть при тампонаже (накачивании цементного раствора в затюбинговое пространство под высоким давлением). В рамках математической постановки обсуждаемой задачи и ее численной реализации учтены следующие факторы: контактное взаимодействие между секциями тюбинга, контакт между тюбингом и бетоном, влияние начального напряженно-деформированного состояния тюбинга, сформированного при затяжке болтов, соединяющих секции друг с другом. Постановка задачи осуществлена в рамках упругопластического деформирования с учетом конечных деформаций. По результатам численного решения определены условия, при которых возможна потеря устойчивости и разрушение тюбингового кольца. Установлена существенная зависимость давления, приводящего к разрушению тюбинга, от площади, к которой оно приложено. Выявлено, что эта зависимость не монотонна и имеет минимум при давлении, распределенном по площади двух секций тюбингового кольца. Давление в этом случае составляет ≈1.4 МПа, то есть находится в диапазоне реальных величин, характерных для тампонирования (до 3 МПа). Полученные графические зависимости дают возможность оценить формирование критических деформационных состояний тюбинговой крепи и могут быть использованы для выбора рациональных режимов создания крепей шахтных стволов.
Скачивания
Библиографические ссылки
Казикаев Д.М., Сергеев С.В. Диагностика и мониторинг напряженного состояния крепи вертикальных стволов. М.: Горная книга, 2011. 244 с.
Ольховиков Ю.П. Крепь капитальных выработок калийных и соляных рудников. М.: Недра, 1984. 238 с.
Шиман М. Предотвращение затопления калийных рудников. М.: Недра, 1992. 176 с.
Зубов В.П., Смычник А.Д. Снижение рисков затопления калийных рудников при прорывах в горные выработки подземных вод // Записки Горного института. 2015. Т. 215. C. 29–37.
Барях А.А., Самоделкина Н.А. Геомеханическая оценка интенсивности деформационных процессов над затопленным калийным рудником // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2017. № 4. C. 33–46. DOI: 10.1134/S106273911704262X
Zhao X., Deng L., Zhou X., Zhao Y., Guo Z. A Primary Support Design for Deep Shaft Construction Based on the Mechanism of Advanced Sequential Geopressure Release // Processes. 2022. Vol. 10. 1376. DOI: 10.3390/pr10071376
Zhou Y.- C., Liu J.-H., Huang S., Yang H.-T., Ji H.-G. Performance change of shaft lining concrete under simulated coastal ultra-deep mine environments // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 230. 116909. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.116909
Jendryś M. Analysis of stress state in mine shaft lining, taking into account superficial defects // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. Vol. 261. 012016. DOI: 10.1088/1755-1315/261/1/012016
Sun X., Li G., Zhao C., Liu Y., Miao C. Investigation of Deep Mine Shaft Stability in Alternating Hard and Soft Rock Strata Using Three-Dimensional Numerical Modeling // Processes. 2018. Vol. 7, no. 1. 2. DOI: 10.3390/pr7010002
Тарасов В.В., Аптуков В.Н., Иванов О.В. Комплексная оценка деформирования системы жесткой армировки при конвергенции крепи шахтного ствола в неустойчивых породах // Записки Горного института. 2024. Т. 266. C. 305–315.
Озорнин И.Л., Харисов Т.Ф. Формирование напряжений в крепи при строительстве вертикальных стволов в тектонически напряженном горном массиве // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2013. № 6. C. 60–67.
Харисов Т.Ф. Обоснование эффективной технологии строительства сопряжений шахтных стволов в сложных горно-геологических условиях // Проблемы недропользования. 2015. № 1. C. 84–90.
Иголка Д.А., Оттен Ф. Ускоренная проходка шахтных стволов механизированным способом // Горная промышленность. 2020. № 6. C. 22–29. DOI: 10.30686/1609-9192-2020-6-22-29
Шардаков И.Н., Шестаков А.П., Глот И.О., Епин В.В., Гусев Г.Н., Цветков Р.В. Формирование напряженного состояния бетонной крепи в процессе проходки шахтного ствола // Вычислительная механика сплошных сред. 2022. Т. 15, № 4. C. 399–408. DOI: 10.7242/1999-6691/2022.15.4.30
Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра, 1987. 221 с.
Лурье А.И. Теория упругости. М.: Наука, 1970. 471 с.
Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1975. 400 с.
###
Kazikaev D.M., Sergeev S.V. Diagnostics and Monitoring of the Stress State of Vertical Shaft Supports. Moscow: Gornaya kniga, 2011. 244 p.
Olkhovikov Y.P. Supporting Capital Workings of Potash and Salt Mines. Moscow: Nedra, 1984. 238 p.
Shiman M.I. Preventing Potash Mine Flooding. Moscow: Nedra, 1992. 176 p.
Zubov V.P., Smychnik A.D. Reducing the Risk of Potash Mine Flooding During Groundwater Breakthroughs into Mine Workings. Zapiski Gornogo Instituta. 2015. Vol. 215. P. 29–37.
Baryakh A.A., Samodelkina N.A. Geomechanical Estimation of Deformation Intensity above the Flooded Potash Mine. Physical and technical problems of mineral development. 2017. No. 4. P. 33–46. DOI: 10.1134/S106273911704262X
Zhao X., Deng L., Zhou X., Zhao Y., Guo Z. A Primary Support Design for Deep Shaft Construction Based on the Mechanism of Advanced Sequential Geopressure Release. Processes. 2022. Vol. 10. 1376. DOI: 10.3390/pr10071376
Zhou Y.- C., Liu J.-H., Huang S., Yang H.-T., Ji H.-G. Performance change of shaft lining concrete under simulated coastal ultra-deep mine environments. Construction and Building Materials. 2020. Vol. 230. 116909. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.116909
Jendryś M. Analysis of stress state in mine shaft lining, taking into account superficial defects. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. Vol. 261. 012016. DOI: 10.1088/1755-1315/261/1/012016
Sun X., Li G., Zhao C., Liu Y., Miao C. Investigation of Deep Mine Shaft Stability in Alternating Hard and Soft Rock Strata Using Three-Dimensional Numerical Modeling. Processes. 2018. Vol. 7, no. 1. 2. DOI: 10.3390/pr7010002
Tarasov V.V., Aptukov V.N., Ivanov O.V. Comprehensive assessment of deformation of rigid reinforcing system during convergence of mine shaft lining in unstable rocks. Journal of Mining Institute. 2024. Vol. 266. P. 305–315.
Ozorin I.L., Kharisov T.F. Formation of stresses in the lining during the construction of vertical shafts in a tectonically stressed rock massif. Minerals and Mining Engineering. 2013. No. 6. P. 60–67.
Kharisov T.F. Justification of an effective technology for the construction of mine shaft connections in complex mining and geological conditions. Problems of Subsoil Use. 2015. No. 1. P. 84–90.
Igolka D.A., Otten F. Rapid Mechanized Shaft Sinking. Russian Mining Industry. 2020. No. 6. P. 22–29. DOI: 10.30686/1609-9192-2020-6-22-29
Shardakov I.N., Shestakov A.P., Glot I.O., Epin V.V., Gusev G.N., Tsvetkov R.V. Formation of the stress state of the concrete support during shaft sinking. Computational Continuous Mechanics. 2022. Vol. 14, no. 4. P. 399–408. DOI: 10.7242/1999-6691/2022.15.4.30
Fadeyev A.B. Metod konechnykh elementov v geomekhanike. Moscow: Nedra, 1987. 221 p.
Lurye A.I. Teoriya uprugosti. Moscow: Nauka, 1970. 471 p.
Malinin N.N. Prikladnaya teoriya plastichnosti i polzuchesti. Moscow: Mashinostroyeniye, 1975. 400 p.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2026 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
