ТОП 10:

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 ПВ напряженности ее элементов (боков и кровли):

(1)

где: σ - величина напряжений в нетронутом массиве (задается на основе экспериментальных данных или рассчитывается по формулам σz=γ∙Н и σxyz∙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);

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

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

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

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

 

При проектировании выработок коэффициент структурного ослабления KC 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 lT (рис. 1).

Рис. 1 Зависимость KC от степени трещинноватости пород:

B/lТ – для кровли выработки; H/lT – для боковвыработки

 

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

По величине критерия ПВ 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







Последнее изменение этой страницы: 2017-01-18; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.235.22.210 (0.017 с.)