Напряженно-деформированное состояние усиленного грунтового массива и крепи устья вертикального ствола во взаимодействии с фундаментами надшахтного здания

Введение. Разработка месторождений полезных ископаемых связана со строительством сложных технологических комплексов на поверхности, обеспечивающих связь подземных работ с надземными системами. При строительстве зданий и сооружений надземных технологических комплексов горнодобывающих предприятий возникают как проблемы, связанные со сложными инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями, так и сложности, вызванные наличием комплекса подземных выработок (добычных, транспортных, вентиляционных, вспомогательных), оказывающих влияние на строительство и эксплуатацию объектов поверхности. В настоящей статье выполнено исследование напряженно- деформированного состояния (НДС) сложной системы, включающей надшахтное здание, устье вертикального шахтного ствола с вентиляционным каналом в условиях, осложненных наличием просадочных грунтов и необходимостью их усиления.

Материалы и методы. В исследовании применялись: анализ существующих методов усиления грунтовых оснований применительно к конкретным инженерно-геологическим условиям строительства с учетом взаимного влияния наземных и подземных сооружений; математическое моделирование системы «устье вертикального ствола с вентиляционным каналом — просадочный грунтовый массив, усиленный грунтовыми сваями – фундаменты надшахтного здания»; изучение на моделях особенностей НДС, определение основных факторов, влияющих на проектные решения по усилению грунтового основания и фундаментов здания, воспринимающих сложный комплекс эксплуатационных нагрузок.

Результаты исследования. Установлено, что наземные несущие конструкции, фундаменты и грунтовое основание должны рассчитываться с учетом взаимного влияния с вертикальным стволом и примыкающим к нему вентиляционным каналом, исходя из определения параметров НДС. Монолитная бетонная крепь устья оказывает существенное влияние на НДС фундаментной плиты, повышая жесткость в местах контакта плиты с крепью. Минимальная вертикальная осадка плиты наблюдается над крепью устья ствола, максимальная – в центральной части здания, в местах приложения максимальной нагрузки.

Обсуждение и заключения. Сформулированы результаты исследования НДС усиленного грунтового массива и крепи устья вертикального ствола во взаимодействии с фундаментами надшахтного здания и даны рекомендации по учету влияющих факторов при проектировании таких объектов.

1. Bulychev, N. S. Analytical design method for vertical shaft lining / N. S. Bulychev // Archives of Mining Sciences. — 2008. — 53 (3). — Pp. 371–382.

2. Bulychev, N. S. The theory of underground structures design has gained strength / N. S. Bulychev, N. N. Fotieva, P. V. Deev // Harmonising Rock Engineering and the Environment — Proceedings of the 12th ISRM International Congress on Rock Mechanics. — 2012. — Pp. 2031–2035.

3. Non-standard equipment for construction of vertical shafts / F. I. Yagodkin, A. Y. Prokopov, M. S. Pleshko, A. N. Pankratenko // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. — 2017. — 87 (6). — 062014.

4. Yagodkin, F. Perspective Schemes Equipment Ultra-deep Shafts / F. Yagodkin, M. Pleshko, A. Prokopov // Procedia Engineering. — 2017. — 206. — Pp. 293–298.

5. Concrete activation in disintegrator during mine shaft fixing / S. G. Stradanchenko, S. A. Maslennikov, E. V. Shevchenko, V. I. Golik, Y. I. Razorenov // Journal of Engineering and Applied Sciences. — 2016. — 11(6). — Pp. 1191–1195.

6. Improvement of the analysis and calculation methods of mine shaft design / M. S. Pleshko, Yu. A. Sil'chenko, A. N. Pankratenko, A. A. Nasonov // Mining Informational and Analytical Bulletin. — 2019. — 2019 (12). — Pp. 55–66.

7. Pankratenko, A. Analytical analysis of the stress-strain state of the system mechanized equipment complex – Support – Rock mass in the bottomhole area of the shaft / A. Pankratenko, M. Pleshko, A. Isaev // MATEC Web of Conferences. — 2018. — 193. — 02026.

8. Pleshko, M. Assessment of the technical condition of deep mine shafts / M. Pleshko, E. Kulikova, A. Nasonov // MATEC Web of Conferences. — 2018. — 239. — 01021.

9. New technology of underground structures the framework of restrained urban conditions / M. Pleshko, A. Pankratenko, A. Revyakin [et al] // E3S Web of Conferences. — 2018. Vol. 33. https://doi.org/10.1051/e3sconf/20183302036

10. Efimova, N. D. Studies of the volume expansion of concrete mix for lining vertical shafts of mines / N. D. Efimova, N. D. Barsuk, S. V. Borschevsky // Topical Issues of Rational Use of Natural Resources 2019 : 15th, St. Petersburg, 2019. — Vol. 1. — 488 p. https://doi.org/10.1201/9781003014577

11. Савин, И. И. Экспериментально-аналитический подход к расчету крепи вертикальных шахтных стволов / И. И. Савин // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. — 2009. — № 1. — С. 251–258.

12. Prokopov, A. Computer Modeling of Deformation Processes in the Event of Liquidation of a Dip over a Rock Mine / A. Prokopov, M. Prokopova, N. Hamidullina // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. — 2019. — 272 (2). — 022118. 10.1088/1755-1315/272/2/022118

13. Prokopov, A. Application of the cartographic method of research for the detection of the dangerous zones of mining industrial territories / A. Prokopov, V. Zhur, A. Medvedev // MATEC Web of Conferences (XXVII R-S-P Seminar, Theoretical Foundation of Civil Engineering). — 2018. Vol. 196. — 03009. https://doi.org/10.1051/matecconf/201819603009

14. Prokopov, A. The experience of strengthening subsidence of the soil under the existing building in the city of Rostov-on-Don / A. Prokopov, M. Prokopova, Ya. Rubtsova // MATEC Web of Conferences (International Science Conference SPbWOSCE «SMART City»). — 2017. Vol. 106. — 02001. https://doi.org/10.1051/matecconf/201710602001

15. Galay, B. F. Disadvantages of standards for construction on collapsible soils / B. F. Galay, V. V. Serbin, O. B. Galay // Geotechnics Fundamentals and Applications in Construction : New Materials, Structures, Technologies and Calculations: Proceedings of the International Conference on Geotechnics Fundamentals and Applications in Construction: New Materials, Structures, Technologies and Calculations, GFAC 2019, Saint Petersburg, 2019 February, 06–08. — Saint Petersburg: Taylor & Francis Group, 2019. — P. 69–73. https://doi.org/10.1201/9780429058882-14

16. Methods of evaluation of geometrical and stress-strain properties of a geocomposite / A. A. Kruglikov, A. A. Vasilchenko, Ya. M. Ermolov, M. V. [et al] // 15th Conference and Exhibition Engineering and Mining Geophysics 2019. Vol. 2019. — P. 1–7. https://doi.org/10.3997/2214-4609.201901744

17. Прокопов, А. Ю. Математическое моделирование взаимовлияния автодорожного тоннельного комплекса № 6-6а и действующего железнодорожного тоннеля № 5 в г. Сочи / А. Ю. Прокопов, М. В. Прокопова, М. А. Ротенберг // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2013. — № S7. — С. 101–109.

18. Application of the finite element method in construction of the retaining structures on landslide-prone slopes / A. A. Kruglikov, G. I. Lazorenko, Y. M. Ermolov, V. A. Yavna // Geophysics 2015 — 11th EAGE International Scientific and Practical Conference and Exhibition on Engineering and Mining Geophysics. — 2015. Vol. 2015. — 00031. — https://doi.org/10.3997/2214-4609.201412251

19. Nesvetaev, G. About frost resistance of the contact zone of dry adhesive mixes classes C1 and C2 / G. Nesvetaev, A. Dolgova, A. Revyakin // E3S Web of Conferences. — 2020 — Vol. 157. — 06027. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202015706027

20. Effect of dosage of redispersible powders on the properties of fine concrete / G. V. Nesvetaev, A.V. Dolgova, L. V. Postoj [ea al] // Materials Science Forum. — 2020. — T. 974 MSF. — C. 413–418. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.974.413