Кафедра строительства горных предприятий и подземных сооружений

 

Геомеханика

 

 

Методические указания по курсовому проектированию для студентов специальности 130406

 

 

Санкт-Петербург

УДК 622.281(075.8У)

ГЕОМЕХАНИКА: Методические указания к курсовому проекту / Санкт-Петербургский горный институт (технический университет). Составили: А.Г. Протосеня, Ю.Н. Огородников, О.В. Тимофеев, М.А. Карасев, Д.Н. Петров СПб., 2009, 42 с.

 

 

Рассмотрены основные требования к проекту, рекомендована последовательность изложения и порядок расчетов параметров комбинированных упрочняющих и поддерживающих видов крепи выработок в условиях рудных месторождений. Изложены требования к паспорту крепления горной выработки, который является графической частью курсового проекта.

Методические указания составлены применительно к программе курса “Геомеханика” для студентов специальности 130406 “Шахтное и подземное строительство”.

 

 

Табл. 7, Илл. 12, Библиография 17 назв.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………….
1. Общие положения…………………………….…………….
2. Порядок выполнения работы………………………………
Библиографический список…………………………………...
Приложение 1: Методика расчета рамной трапециевидной крепи, усиленной прогоном на стойках……………………...
Приложение 2: Методика расчета арочных двух- и трехшарнирных крепей………………………………………..
Приложение 3: Принципы расчета анкерных крепей……….
Приложение 4: Пример расчета металлической арочной крепи из СВП…………………………………………………..

 

ВВЕДЕНИЕ

Подземные горные выработки, согласно требованиям отраслевых и межотраслевых правил безопасности [5, 6, 9], должны быть, как правило, своевременно закреплены в соответствии с утвержденными проектами и паспортами крепления.

Паспорт крепления представляет собой важнейший документ, определяющий принятые для данной выработки конструкцию крепи, порядок ее возведения с учетом технологии проходки выработки и расход крепежных материалов.

Каждый горный инженер обязан уметь правильно составить и своевременно оформить паспорт крепления, без которого ведение горных работ запрещено. Правилами безопасности запрещается также ведение горных работ с отступлением от утвержденного паспорта крепления или по ранее действовавшему паспорту при изменении условий проходки.

Работу по составлению паспорта крепления следует начинать с тщательного изучения соответствующих разделов правил безопасности, действующих в данной отрасли горного производства или подземного строительства, с учетом назначения выработки, условий и способов ее проведения и эксплуатации. Особое внимание следует обратить на требования инструкции по составлению паспортов крепления, обычно помещаемой в приложениях к правилам безопасности.

 

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Курсовой проект студент выполняет индивидуально по заданию, выданному преподавателем. В задании указывается назначение и срок службы выработки, вид транспортных средств или другого оборудования, горно-геологические и горно-технические условия проходки и эксплуатации выработки (глубина от поверхности, условия залегания и характеристика свойств горных пород, расположение выработки в массиве пород и относительно других выработок). Способ проходки выработки, рекомендуемые типы крепи, величины смещений пород, и их давление на крепь могут быть по усмотрению преподавателя заданы студенту или определены им самим при выполнении курсового проекта.

1.2. Паспорт крепления подземной выработки состоит из графического материала и пояснительной записки к нему. Паспорт (чертеж) выполняется на листе стандартного формата А2 (594 х 420 мм) или А1 (594 х 841 мм). Пояснительную записку к паспорту следует представить на сброшюрованных листах писчей бумаги формата А4 (297 х 210 мм).

1.3. Чертеж, являющийся собственно паспортом, должен быть составлен с такой степенью полноты, чтобы, пользуясь им без пояснительной записки, можно было выполнить работы по креплению выработки. Паспорт, исполняемый в карандаше, туши или на компьютере должен содержать следующие элементы:

А. Стандартный штамп [21] в правом нижнем углу; над ним: Утверждаю: главный инженер ___________ дата __________

Б. Поперечное сечение выработки в эксплуатационном состоянии (масштаб 1:50, допустимы 1:40; 1:25; 1:20), размещаемое в левой верхней четверти чертежа; На сечении указать все необходимые размеры в свету, вчерне и в проходке (для податливых видов крепи – размеры после и до осадки), габариты транспортных средств, зазоры, путь или дорожное полотно и т.п., а также структуру, характер залегания, наименование и прочность пород вокруг выработки.

В. Поперечные сечения (одно - два) на призабойном участке, продольный разрез на призабойном и на эксплуатационном участках, а при необходимости и план выработки в стадии проходки (на призабойном участке); следует указать конструкции и размеры временной и постоянной крепи, их отставание от забоя, габариты проходческого оборудования и т.п.

Г. Характерные детали и узлы постоянной и временной крепи в масштабе 1:10…1:5.

Д.Основные характеристики выработки (площади поперечного сечения в свету, вчерне и в проходке, типы электровоза, вагонетки, конвейера, общую характеристику постоянной и временной крепи).

Е. Лаконичные указания о порядке выполнения работ по временному и постоянному креплению выработки и применяемых средствах механизации (в увязке с технологией проходки).

Ж. Таблицу расхода крепежных материалов на 1 м выработки (указать по каждому элементу крепи вид материала, основные размеры, расход на 1 элемент, количество элементов и общий расход на 1 комплект и на 1 м выработки, суммарный расход каждого вида материала – дерева, стали, железобетона и т.д.).

Например, для выработки с арочной пятизвенной крепью из специального профиля СВП-19 при шаге 1,1 м и металлической решетчатой затяжке таблица имеет вид (табл. 1):

Таблица 1

Пример спецификации на расход материала на крепь из СВП-19

Элемент крепи	Материал	Характеристика элементов	Расход, кг
Размеры (длина), м	Масса единицы, кг	Число на арку	На 1 арку	На 1 м
Верхняк	СВП-19	3,35	64,32		64,32	58,47
Стойка	СВП-19	2,43	46,08		92,16	83,78
Стойка короткая	СВП-19	0,60	11,40		22,80	20,70
Соедини-тельный замок	Хомуты и планки	-	5,03		23,72	21,06
Распорка	Уголок 63х63х6	1,10	7,02		21,06	10,14
Затяжка	Решетка из стали Ø3 (60х200)	1100 х 1500	3,6		21,60	19,62
	Всего	245,66	223,27

На паспорте при необходимости могут быть приведены и другие сведения графического и текстового характера. Например, при креплении выработки набрызгбетоном, указываются марка, состав и расход бетона, вид и размеры крупного заполнителя, тип набрызгмашины и т.п.

1.4. Пояснительная записка к паспорту крепления должна содержать исходные данные для проектирования, обоснование принятых решений, расчеты крепи, а в необходимых случаях и расчет параметров горного давления, расчет расхода крепежных материалов. Страницы записки нумеруются цифрой в правом верхнем углу. В начале записки приводится оглавление с указанием страниц соответствующих разделов.

В конце записки должен быть приведен список использованных источников с порядковыми номерами, составленный в полном соответствии с современными правилами библиографии. В тексте записки должны быть приведены ссылки на соответствующий источник (цифра в квадратных скобках), из которого заимствован материал.

На титульном листе записки следует указать: институт и его ведомственную принадлежность (см. титульный лист), наименование документа – пояснительная записка к паспорту крепления (наименование выработки) (курсовой проект); фамилию и инициалы студента; индекс группы; фамилию и инициалы руководителя проекта; дату выполнения работы. Текст пояснительной записки должен быть написан разборчиво и содержать необходимы схемы и графики.

Ориентировочная структура пояснительной записки:

1. Исходные данные для проектирования.
2. Оценка устойчивости выработки и предварительный выбор конструкции крепи.
3. Определение размеров и формы поперечного сечения выработки.
4. Обоснование и выбор расчетной схемы крепи.
5. Расчет крепи.
6. Окончательный выбор конструкции и параметров крепи.
7. Расчет расхода крепежных материалов на 1 м выработки.
8. Список использованных источников.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

2.1. На основе исходных данных для проектирования подобрать и изучить специальную литературу на заданную тему (правила безопасности, учебные пособия, справочники, монографии, научно-технические статьи).

2.2. Оценить ожидаемое состояние устойчивости породных обнажений в выработке и сделать предварительный выбор конструкции крепи (вид крепи, как правило, задается). Прогноз устойчивости выработок очень важен. Известно много предложений по этому вопросу. Согласно официально утвержденной методике [16], выделяется 4 категории состояния устойчивости породных обнажений по величине смещений контура. Например, для осадочных пород: 1 категория – состояние устойчивое (до 50 мм); 2 категория – состояние среднеустойчивое (50-200 мм); 3 категория – состояние неустойчивое (200-500 мм); 4 категория – состояние весьма неустойчивое (больше 500 мм).

Для скальных горных пород, где смещения пород на контуре незначительны, оценку устойчивости незакрепленной выработки рекомендуется выполнять по предложенному О.В. Тимофеевым критерию П_В напряженности ее элементов (боков и кровли):

(1)

где: σ - величина напряжений в нетронутом массиве (задается на основе экспериментальных данных или рассчитывается по формулам σ_z=γ∙Н и σ_x=σ_y=σ_z∙λ соответственно для вертикальных и горизонтальных напряжений);

γ – объемный вес толщи пород до поверхности (0,025 МН/м³);

λ – коэффициент бокового распора (λ = μ/(1- μ); μ – коэффициент Пуассона, который условно следует принять равным 0,4);

К₁ – коэффициент концентрации напряжений на контуре

выработки от ее проведения (условно 2,5);

К₂ – коэффициент изменения напряжений от влияния других выработок (1,4 – на одностороннем сопряжении выработок);

К₃ – коэффициент дополнительной концентрации напряжений от воздействия горных ударов или массовых взрывов (1,0 – при их отсутствии, в противном случае по спец. расчетам);

R_СЖ – предел прочности на сжатие породы в образце, МПа;

К_С – коэффициент структурного ослабления (К_С≤1,0) (рис. 1);

К_дл – коэффициент длительной прочности породы (1,0 - 0,5);

К_у – коэффициент упрочнения массива пород анкерованием или инъекционными способами (1,0 - 2,0).

 

При проектировании выработок коэффициент структурного ослабления K_C вмещающих пород определяется по данным количественного анализа трещиноватости горного массива отдельно для кровли и боков выработки с учетом ее поперечных размеров (B, H – ширина и высота выработки) и среднего расстояния между трещинами l_T ( рис. 1 ).

Рис. 1 Зависимость K_C от степени трещинноватости пород:

B/l_Т – для кровли выработки; H/l_T – для боковвыработки

 

В критерии П_В числитель представляет собой расчетные напряжения в рассматриваемом элементе, а знаменатель – расчетное сопротивление породного массива в нем.

По величине критерия П_В выделяется 4 категории устойчивости незакрепленной выработки (табл. 2).

Таблица 2

Классификация устойчивости незакрепленной выработки

Величина ПВ	Категория	Состояние устойчивости
меньше 1,0	I	устойчивое
1,0 – 1,29	II	предельное
1,3 – 3,0	III	неустойчивое
больше 3,0	IV	очень неустойчивое

Для прочих условий критерий устойчивости может быть вычислен в соответствии с [7].

На основе задания и прогноза состояния устойчивости выработки назначаются, предварительно, основные конструктивные и технологические параметры крепи (ее толщина, плотность расстановки рам или анкеров, необходимая податливость и конструктивно-технологические пути ее обеспечения и т.п.)

2.3. Размеры поперечного сечения выработки в свету определить по габаритам транспортных средств или оборудования с учетом регламентированных правилами безопасности зазоров и ожидаемой величины смещения пород или деформирования крепи при ее эксплуатации под нагрузкой. Форму поперечного сечения выработки выбирают с учетом необходимых ее размеров, назначения, условий эксплуатации (ожидаемых проявлений горного давления), принятого типа и конструкции крепи.

При определении и выборе формы и размеров поперечного сечения выработки рекомендуется графический способ (вычерчивание схем в масштабе) как наиболее наглядный и удобный. При оформлении чертежа поперечного сечения следует в качестве примера использовать подходящее типовое сечение [19, 20].

2.4. В расчетной схеме крепи или системы массив – крепь должна быть отображена конструктивная схема крепи (с обозначенными на ней размерами) и схема ее нагружения. Сборные крепи из дерева, металла и железобетона наиболее часто представляют в виде замкнутых или незамкнутых шарнирных рам различной формы.

Прямоугольные и трапециевидные рамы обычно рассматривают как четырехшарнирные стержневые конструкции (рис. 2, а, б), которые при необходимости усиливают стойками с прогоном или стропильной крепью (рис. 2, в, г). Арочные и кольцевые крепи (рис. 3) часто выполняют в виде двух – шести шарнирных конструкций. Кольцевая крепь, кроме того, может быть и бесшарнирной (рис. 3, а).

Схему нагружения чаще всего принимают в виде равномерно распределенной нагрузки сверху и с боков.

Определение величины и характера распределения пассивных нагрузок сопряжено во многих случаях со значительными трудностями из-за значительной их зависимости от условий на контакте крепи с массивом пород; эти условия в свою очередь зависят от ряда случайных факторов (неравномерности толщины и качества забутовки закрепного пространства, качества сборки крепи и т.п.). Поэтому при расчете сборных рамных крепей часто схему нагружения представляют в виде активных нагрузок (распределенных или сосредоточенных), величины которых определяют по одной из теорий горного давления или по результатам экспериментальных исследований.

На рис. 2 и 3 представлены расчетные схемы наиболее распространенных типов крепи, нагруженных равномерно распределенной вертикальной нагрузкой р [кПа], и боковой np [кПа], где n – коэффициент боковой нагрузки, принимающий значения от 0 до 1, а в отдельных случаях и больше. В литературных источниках приведены расчетные схемы некоторых других типов крепи [2, 3, 4]. Следует иметь в виду, что величина нагрузки на податливые конструкции крепи, как правило меньше, чем на жесткой.

Рис. 2. Расчетные схемы прямоугольных и трапециевидных конструкций крепи

Рис. 3 Расчетные схемы кольцевых и арочных конструкций крепи

2.5. Расчет крепи включает в себя определение на первом этапе усилий в элементах и узлах крепи, а на втором – выбор размеров сечения элементов крепи и их проверку на прочность и устойчивость. Иногда, при заданных размерах сечения элементов, определяют необходимое число рам на 1 м выработки и расстояние между рамами крепи. По результатам расчета усилий в элементах крепи следует построить эпюры изгибающих моментов М [кН×м], продольных N [кН] и поперечных Q [кН] сил. Эпюры позволяют четко выявить характер работы элементов крепи, а также грубые ошибки, если они допущены при расчете.

2.5.1. Методика расчета усилий в элементах прямоугольных или трапециевидных четырехшарнирных (рис. 4) конструкций (рис. 2, а, б) изложена в справочниках по креплению горных выработок [8, 10]. Следует заметить, что в трапециевидных крепях обычных горных выработок принимают угол наклона стоек к горизонту a=80-85°, поэтому влияние такого наклона на усилия в стойке и верхняке незначительно и им можно пренебречь, считая крепь как прямоугольную с пролетом l [м] (рис. 2). Расчетные формулы при этом упрощаются. В усиленных конструкциях трапециевидной крепи (рис. 1, в, г) верхняк рассматривают как двух- или трехпролетную неразрезную балку (рис. 2, д-ж) и определяют усилия в нем с учетом реакции промежуточных опор. Расчетная схема стойки крепи по схеме на рис. 2, б представлена на рис. 2, з. Методика расчета усилий в элементах таких крепей приведена в приложении 1.

2.5.2. Методика расчета усилий в элементах кольцевых бесшарнирных, трех- и четырехшарнирных крепей (рис. 5) (соответственно рис. 3, а, в, д) представлена в справочнике [8]. Там же приведена методика расчета пяти- и шестишарнирных кольцевых крепей, а также двух-, трех и пятишарнирных арочных крепей для частного случая арок с вертикальными прямыми стойками (рис. 3, г). Нами рекомендуется использовать для расчета двух- и трехшарнирных арок (рис. 3, в, г) методику, приведенную в приложениях 2, в которой рассмотрен общий случай арок с наклонными стойками (рис. 3, б, г).

 

 

Рис. 4. Конструкция и габаритные размеры трапециевидных деревянных крепей: а – симметричная; б – несимметричная.

 

Следует заметить, что в обычных конструкциях податливой крепи из шахтного специального профиля СВП при соединении элементов внахлестку с помощью двух хомутов узлы податливости не являются шарнирными. Поэтому кольцевую крепь из СВП рассчитывают как бесшарнирное кольцо (рис. 3, а), а арочную – как двухшарнирную арку (рис. 3, б). В узлах податливости некоторых конструкций крепи предусмотрены шарниры. Они должны быть учтены при составлении расчетной схемы.

2.5.3. Расчет параметров анкерной крепи: длины анкеров, расстояния между ними (или плотности расстановки) и несущей способности – начинают с определения размеров зоны возможного обрушения пород вокруг выработки и выбора на этой основе длины и типа анкеров. Рекомендуемая методика расчета параметров металлической, железобетонной и деревянной анкерной крепи изложена в работах [3, 10, 18]. В тех случаях, когда напряжения в массиве пород вокруг выработки недостаточно велики и не вызывают закономерного разрушения пород у контура выработки, но не исключено вывалообразование вследствие трещиноватости массива, размеры зоны возможного обрушения пород могут быть определены пометодике, изложенной В.М.Мостковым [7].

2.5.4. Расчет параметров набрызг-бетонной крепи, при ее самостоятельном и совместном применении с анкерной или рамной крепями, может быть выполнен по методике В.М.Мосткова и И.Л.Воллера [7]. Возможно применение других методик расчета набрызг-бетонной и комбинированной крепей.

2.5.5. Расчет монолитных и сборных сплошных бетонных и железобетонных крепей рекомендуется выполнять по методике, изложенной в работах [2, 4].

2.5.6. Расчет элементов крепи, проверку на прочность и устойчивость выполняют в соответствии с указаниями соответствующих глав строительных норм и правил [14-17]. Следует при этом учитывать, что элементы рамной крепи горных выработок, как правило, работают на изгиб и продольное сжатие.

 

Рис. 5. Конструкции и габаритные размеры арочных крепей из СВП в выработках:

а – однопутевой, б – двухпутевой.

Предварительный выбор поперечного сечения элемента крепи выполняют обычно по условию его прочности на изгиб, а затем принятое сечение проверяют с учетом продольной силы, а также на устойчивость (продольный изгиб). Коэффициент условий работы крепи в горных выработках принимают согласно указаниям СНиП.

2.7. Расчет расхода крепежных материалов выполняется в пояснительной записке раздельно по элементам крепи и приводится на чертеже в виде таблицы (см. табл. 1).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Баклашов И.В. Геомеханика. Учебник для вузов. В 2-х т. т.2. Геомеханические процессы. МНТУ, М.: 2004.-249 с

2. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкции крепей: Учебник для вузов.– 2-е изд.– М.: Недра, 1992.– 543 с.

3. Баклашов И.В., Тимофеев О.В. Конструкция и расчет крепей и обделок. М.: Недра, 1979. – 263 с.

4. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений: Учебник для вузов. – 2-е изд. – М.: Недра, 1994. – 382 с.

5. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом (ПБ 03-553-03). М.: «Деан», 2004. – 205 с.

6. Инструкция по выбору рамных податливых крепей горных выработок. 2-е изд. ВНИМИ. СПб. 1991. – 125 с.

7. Мостков В.М., Воллер И.Л. Применение набрызг-бетона при проведении горных выработок. М.: Недра, 1968. – 127 с.

8. Каретников В.Н., Клейменов В.Б., Нуждихин А.Г. Крепление капитальных и подготовительных выработок. Справочник. М.: Недра, 1989. – 571 с.

9. Протосеня А.Г. Геомеханика. Учеб. Пособие/ А.Г. Протосеня, О.В. Тимофеев. СПбГГИ(ТУ), СПб, 2008, 117 с.

10. Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-618-03). М.: НТЦ «Промышленная безопасность», 2004.

11. Протосеня А.Г. Геомеханика. Учебное пособие/ А.Г. Протосеня, О.В. Тимофеев. СПбГГИ(ТУ), СПб, 2008, 117с.

12. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи. / ВНИМИ, ВНИИОМШС. М.: Стройиздат, 1983. – 272 с.

13. Смирняков В.В. Рациональная форма металлической крепи подготовительных выработок // Зап. ЛГИ, 1973. Т.64, вып. 1. С. 79-88.

14. СНиП II-23-81. Стальные конструкции: Нормы проектирования. М.: Стройиздат, 1982. – 96 с.

15. СНиП 52-01-2003. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения / Госстрой России. М., 2004. – 29 с.

16. СНиП II-25-80. Деревянные конструкции: Нормы проектирования. М.: Стройиздат, 1983, - 31 с.

17. СНиП II-94-80. Подземные горные выработки: Нормы проектирования. М.: Стройиздат, 1983, - 31 с.

18. Тимофеев О.В. Методика расчета параметров штанговой крепи при упруго-пластическом деформировании массива пород // Устойчивость и крепление горных выработок / Ленингр. горный ин-т. Л.: 1976 (Межвуз. сб.; Вып.3). С. 30 – 34.

19. Типовые сечения горных выработок: Т. 1-3, 5. М.: Госгортехиздат, 1960.

20. Унифицированные типовые сечения горных выработок: Т. 1-3. Киев: Будивельник, 1971.

21. ГОСТ 21.101-97. СПДС. Основные требования к проектной и рабочей документации

Приложение 1