Расчёт крепи стволов, сооружаемых бурением

Для крепления стволов, сооружаемых бурением, применяют гладкие стальные трубы; трубы, усиленные шпангоутами, и трехслойную сталебетонную крепь, состоящую из двух концентрических стальных обечаек с бетонным заполнением кольцевого пространства между ними.

При расчёте крепь стволов вместе с массивом рассматривается как многослойная система, внешний бесконечный слой которой моделирует массив пород (см. рис. 5.1).

Расчёт крепи производится: на устойчивость стальных труб в процессе цементации затрубного пространства; на устойчивость стальных труб и внутренней стальной обечайки сталебетонной крепи при действии гидростатического давления подземных вод; на прочность при действии собственного веса пород (горное давление).

При расчёте стальных труб на устойчивость в процессе цементации затрубного пространства определяется критическое внешнее гидростатическое давление по формуле

, (6.6)

Где - расчётный модуль упругости стали с учётом цилиндрической жесткости трубы:

;

-коэффициент Пуассона стали; J- момент инерции радиального сечения трубы (на единицу ее высоты в соответствии с принятой размерностью); r-радиус окружности, проходящей через центры тяжести радиальных сечений.

Для гладких труб (без шпангоутов) формула (6.6) принимает вид

, (6.7)

Где t-толщина стенки трубы.

При цементации затрубного пространства и откачке раствора, заполняющего ствол, необходимо, чтобы разность внешнего и внутреннего давления не достигала величины .

Потеря устойчивости стальной трубы может произойти и после цементации затрубного пространства, когда труба находится в цементной «обойме», под действием напора подземных вод, фильтрующихся через цементное кольцо.

При герметичной стальной трубе (без дренирующих отверстий) статический напор подземных вод передаётся на трубу полностью. Сказанное относится и к внутренней стальной обечайке сталебетонной крепи при нарушении герметичности внешней стальной обечайки.

Критическое давление подземных вод определяется следующим образом.

Вначале определяется величина напряжений в трубе из решения уравнения *

(это уравнение может быть решено методом последовательных приближений.)

(6.8)

Для гладких труб это уравнение имеет вид

Где - начальные напряжения в крепи вследствие обжатия породами; - начальный зазор между трубой и цементационным слоем; - радиус инерции радиального сечения крепи; - расстояние от центра тяжести радиального сечения крепи до наиболее удаленной наружной кромки крепи (для гладких труб ).

Далее, определяются критические напряжения в крепи

Критическая величина гидростатического давления определяется по формуле (6.5) или – для гладких труб – по формуле

(6.10)

Если статический напор подземных вод превышает критическое давление, полученное по формулам (6.5) и (6.10), то необходимо принять конструктивные меры обеспечения устойчивости трубы, которые могут заключаться: в увеличении момента инерции радиального сечения трубы (внутренней стальной обечайки) с помощью шпангоутов; в предотвращении отрыва трубы (обечайки) от цементационного слоя ( слоя бетона) с помощью связей (анкеров); в снятии гидростатического напора устройством дрен (отверстий в трубе или внутренней стальной обечайке).

Уравнение (6.8) может быть представлено в виде степенного многочлена (6.3), где

;

;

(6.11)

;

;

.

Для решения этого уравнения можно применить стандартную программу математического обеспечения ЭВМ. Из полученных корней уравнения 5-й степени выбирается минимальный положительный вещественный корень, который и принимается за искомое значение .