Устойчивость обнажений пород

В горных выработках

 

Обнажениями пород в горизонтальных и наклонных выработках являются их кровля, почва и бока, а в вертикальных – стенки.

Зоны, в которых происходит перераспределение напряжений после проведения выработок, могут иметь различное очертание, которое зависит от физико-механических свойств пород, характера их залегания, глубины и геометрии выработки. Напряжения в этих зонах могут превзойти предел прочности пород, вследствие чего происходит их разрушение. Для этих зон характерно постепенное уменьшение степени их разрушения и увеличение напряжений в направлении от контура выработки в глубь массива. Эти зоны называют областями пониженных напряжений (по П.М.Цимбаревичу), или областями неупругих деформаций (по К.В.Руппенейту). Вследствие образования области неупругих деформаций на ее границе происходит новое перераспределение напряжений. За ее пределами возникает область повышенных напряжений, которая дальше вверх переходит в область, в которой напряжения соответствуют первоначальным (рис.8). Таким образом, напряжения на контуре выработки практически равны нулю, а на границе области неупругих деформаций превышают первоначальные, свойственные нетронутому массиву.

Возможны следующие условия образования областей пониженных и повышенных деформаций:

1. Породы кровли выработки неустойчивы, а породы боков и подошвы устойчивы. В этом случае

> ; < ,

Рис.8. Области пониженных (1) и повышенных (2) напряжений вокруг горизонтальной выработки в зависимости от места залегания неустойчивых пород: а и б – в кровле; в – в кровле и боках; г – в кровле, боках и подошве

где и –коэффициенты концентрации соответственно растягивающих и сжимающих напряжений; и – пределы прочности пород соответственно при растяжении и сжатии.

2. Породы в кровле и боках выработки неустойчивые. Тогда

> ; < ,

и область неупругих деформаций распространяется как на кровлю, так и на бока выработки (рис.8, в).

3. Породы в кровле, боках и подошве выработки неустойчивые, и область неупругих деформаций распространяется во все стороны от выработки (рис.8, г).

Расчет горного давления

 

Гипотезами горного давления называют научно обоснованные предположения о его проявлении в массиве пород, главным образом, в зонах тех или иных горных выработок. Проблемами расчета горного давления для тех или иных горно-геологических и горно-технических условий занимались М.М.Протодьяконов, П.М.Цимба­ревич, В.Д.Слесарев, А.Н.Динник, А.Б.Моргоевский, С.Г.Лехницкий, Г.Н.Савин, А.Г.Протосеня, А.Н.Ставрогин, К.А.Ардашев, И.В.Бак­лашов, Б.А.Картозия, Н.С.Булычев, И.Л.Черняк, Г.Л.Фисенко, А.Лабасс, Р.Квапил и др.

Некоторые из предложенных гипотез обеспечили создание простых инженерных методов расчета, дающих приемлемые для практики решения отдельных задач горного давления.

В настоящее время широкое развитие получили теории горного давления, в основе которых лежат строгие методы механики сплошной среды, позволяющие решать задачи, связанные с проявлениями горного давления на более высоком уровне.

Рис.9. Расчетная схема определения горного давления на кровлю горизонтальной выработки по гипотезе Протодьяконова

Гипотеза Протодьяконова предполагает, что над выработкой образуется свод естественного равновесия АОВ (рис.9), и на крепь выработки давление оказывает лишь порода, находящаяся внутри этого свода. Свод должен находиться в равновесии, т.е. сумма моментов относительно любой точки (например, точки М) должна быть равна нулю.

Решая уравнение относительно y, получим уравнение параболы . Это уравнение в точке А приобретает вид:

.

При несвязных рыхлых породах устойчивость свода будет наибольшей при , где – полупролет свода, м; – коэффициент внутреннего трения.

Давление на крепь

.

Для крепких, скальных пород коэффициент внутреннего трения соответствует коэффициенту крепости пород.

В настоящее время для определения величины горного давления для конкретных горно-геологических условий пользуются рекомендациями СНиП 3.02.03-84 «Подземные горные выработки» [27], в которых учтены последние достижения в области механики горных пород.

ГОРНАЯ КРЕПЬ

 

Требования к горной крепи и ее виды

 

Горная крепь, ее несущая способность, тип и размеры выбираются в зависимости от направления и величины горного давления, назначения выработки, срока ее службы, экономических соображений и других факторов. В соответствии с этим горная крепь должна удовлетворять определенным требованиям. Назовем основные:

· прочность и устойчивость;

· минимальное заполнение сечения выработки;

· обеспечение необходимого срока службы;

· небольшое аэродинамическое сопротивление;

· возможность механизации возведения крепи и изготовления ее элементов;

· минимальные расходы на изготовление, транспортирование, установку и ремонт;

· безопасность в пожарном отношении;

· при необходимости водонепроницаемость, возможность повторного использования и другие специальные требования.

Горную крепь классифицируют по следующим признакам:

· виду выработок – крепь капитальных, подготовительных и очистных выработок;

· положению выработок в пространстве – крепь горизонтальных, вертикальных и наклонных выработок;

· конструктивным признакам – крепь сплошная, рамная, анкерная;

· материалу – крепь деревянная, металлическая, бетонная, железобетонная, смешанная;

· характеру работы – крепь жесткая и податливая;

· условиям работы – крепь обычная и специальная.

Крепь, узлы и элементы которой обеспечивают определенную податливость при сохранении заданной несущей способности, называют податливой.

Правильно выбранная крепь должна обеспечивать устойчивость выработки, причем сумма первоначальной стоимости крепи и последующих затрат на поддержание выработки в эксплуатационном состоянии за все время ее существования должна быть наименьшей.

Для примера определим, какой крепью (бетонной или металлической) целесообразно крепить квершлаг длиной L при сроке службы t. Пусть стоимость 1 м проведения квершлага и крепления его бетонной крепью С _б, металлической С _м, а стоимость поддержания 1 м в год и соответственно.

закрепить квершлаг бетонной крепью выгоднее, если суммарные затраты окажутся ниже, чем при металлической крепи, т.е. + < + , откуда

t > .

Из неравенства следует, что бетонная крепь экономичнее, если срок службы квершлага в годах будет больше указанного отношения стоимостей.

Материалы для горной крепи

 

Для изготовления горной крепи применяют обычно те же материалы, что и для строительства сооружений на земной поверхности. Вместе с тем специфические условия горных выработок (различный характер проявления горного давления, воздействие подземных вод, влияние шахтной атмосферы и др.) предъявляют к материалам повышенные требования.

Для изготовления несущих конструкций крепи, как правило, используют дерево, металл, естественные и искусственные камни, бетон и железобетон, а в качестве вспомогательных материалов – различные изделия из сортовой стали (скобы, крюки, болты и пр.), изоляционные материалы, некоторые химические реагенты (хлористый кальций, жидкое стекло) и др.

Лесоматериалы. Горная промышленность является одним из главных потребителей древесины хвойных (сосна, лиственница, ель и др.) и лиственных (дуб, бук, граб и др.) пород.

Срок службы деревянной крепи в шахте зависит от породы древесины, влажности и условий проветривания. Срок службы сосновой крепи 1-2 года, в хороших условиях до 5 лет, дубовая крепь сохраняет эксплуатационные качества в 2 раза дольше.

Срок службы деревянной крепи увеличивается, если крепь изготовлена из качественного и сухого леса, а выработки интенсивно проветриваются. Кроме того, хороший эффект дает антисептирование древесины.

Для снижения огнеопасности древесину пропитывают огнезащитными составами (антипиренами) или покрывают торкретбетонами. В качестве антипиренов применяют фосфорнокислый и сернокислый аммоний.

Металл. Для изготовления горной крепи преимущественно применяют черные металлы: сталь и чугун. Из стали изготавливают основные, несущие нагрузку элементы крепи – арматуру железобетонных конструкций и анкеры (прокатные профили), отдельные элементы крепи (листы и полосы), различные конструктивные элементы (хомуты, скобы, болты, гайки, подвески и пр.). В отдельных видах горной крепи используется металлическая сетка. На рис.10 представлены основные виды проката для изготовления крепи.

в

б

а

у

у

у

х

у

у

г

у

у

у

х

 

		е
		д
	125,0

х

80,0

у

х

95,0

 

 

Рис.10. Специальный стальной прокат для горной крепи: а – спецпрофиль СП

(подтипы А и Б); б и в – спецпрофиль взаимозаменяемый с желобчатыми фланцами (СВПЖ); г – взаимозаменяемый V-образный спецпрофиль; д и е – широкополочный двутавр 100 ´ 100 и 100 ´ 80 мм соответственно

 

Чугун по сравнению со сталью обладает большей стойкостью против коррозии. В основном, он идет на изготовление тюбингов, служащих для крепления выработок, строящихся в сложных горно-геологических условиях.

Вяжущие вещества. Для возведения крепи необходимы порошкообразные материалы, образующие при затворении водой пластичные массы, которые в результате происходящих при этом физико-химических процессов способны затвердевать, превращаясь в искусственный камень.

При подземных горных работах применяют гидравлические (способные твердеть как на воздухе, так и под водой) вяжущие – различные цементы (портланд-цемент, глиноземистый, шлаковый портланд-цемент, пуццалановый, расширяющийся цемент и безусадочный).

Растворы. При возведении горной крепи и других подземных работах обычно применяют цементно-песчаные растворы – смеси в определенных пропорциях одного или нескольких вяжущих веществ с мелким заполнителем (песком), хорошо перемешанные и затворенные водой.

Бетоны. Эти каменные материалы получают в результате затвердения смеси из вяжущего (цемента), крупного и мелкого заполнителя и воды. Состав бетона в общем виде выражается соотношением 1 : А : Б, которое обозначает, что на одну часть массы или объема цемента приходится А соответствующих частей песка и Б частей щебня или гравия. Обязательной характеристикой бетона является водоцементный фактор (В/Ц), выражающий отношение массы воды к массе цемента. Наилучшим водоцементным отношением следует считать 0,2-0,3.

В зависимости от условий работы крепи, ее возведения или изготовления отдельных элементов в некоторых случаях применяют специальные бетоны, к которым относятся быстротвердеющий бетон, торкретбетон, набрызгбетон, пластбетон, сталебетон и др. К составляющим, используемым для приготовления бетона, предъявляются определенные требования, предусматриваемые соответствующими ГОСТами.

Железобетон – материал, состоящий из бетона и введенной в него стальной арматуры, работающих в конструкции совместно. Такие конструкции способны вынести значительные сжимающие, изгибающие, а в некоторых случаях и растягивающие нагрузки.

Естественные и искусственные камни. Для изготовления крепи искусственные камни (кирпич, бетониты, цементные блоки, шлакоблоки, силикатные камни и др.) применяют значительно реже, чем дерево, металл или бетон.

В настоящее время появляются новые материалы для изготовления крепи: стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ), а также материал на основе пластбетона, самонапряженного железобетона, прессованной древесины, углепласта и др.

 

 

Виды крепи

 

Рис.11. Металлические рамы

Металлическая крепь. В горизонтальных выработках металлическая крепь применяется в виде трапециевидных и бочкообразных рам (рис.11), арок и колец, которые могут быть жесткими, шарнирными и податливыми. Кровлю и бока выработки затягивают тонким круглым лесом, распилами, досками, железобетонными затяжками или металлической сеткой. Арочная податливая крепь из спецпрофиля (СВП), как пра­вило, предназначена для крепления подготовительных выработок в условиях преимущественно вертикального неустановившегося горного давления (рис.12).

Кольцевая жесткая крепь (рис.13, а) из двутавровых балок № 14-20 или железнодорожных рельсов состоит чаще всего из трех или четырех элементов. Кольцевая податливая, шарнирная крепь (рис.13, б и в) и шарнирно-податливая (рис.13, г) изготавливается из стали специального профиля. Такая крепь хорошо работает в условиях значительных всесторонних нагрузок, в том числе при пучащих породах почвы.

Каменная и бетонная крепь. Эти виды крепи применяют для крепления горных выработок с большим сроком службы и при значительном горном давлении вне зоны влияния очистных работ (выработки и камеры околоствольных дворов, капитальные квершлаги и др.). При большом вертикальном горном давлении основной формой крепи является сводчатая с вертикальными стенами (рис.14). Основными частями такой крепи являются свод 1, стены 2 и фундаменты 3. Верхняя часть cвода называется замком 4, а места опирания свода на стены – пятами свода 5.

Рис.14. Формы поперечного сечения выработок при бетонной и каменной крепи

менты 3. Верхняя часть cвода называется замком 4, а места опирания свода на стены – пятами свода 5.

Толщину стены принимают равной толщине свода или на 20-30 % больше. Пространство между крепью и породой (закрепное пространство) забучивают кусками породы и заливают цементно-песчаным раствором с соотношением 1 : 5 или 1 : 7.

Монолитная железобетонная крепь. Этот вид крепи применяется в наиболее ответственных капитальных горных выработках или на участках при больших нагрузках (рис.15). Железобетонная крепь обычно имеет сводчатую или кольцевую форму поперечного сечения. При возведении крепи может применяться гибкая жесткая и смешанная арматура.

Достоинствами монолитной железобетонной крепи являются большая несущая способность, монолитность, хорошее сцепление с окружающими породами и возможность придания выработкам любой формы поперечного сечения. Вместе с тем, возведение такой крепи весьма трудоемко, оно требует значительного расхода металла и отличается высокой стоимостью.

Рис.15. Монолитная железобетонная крепь: а – кольцевая с гибкой арматурой, б – подковообразной формы со смешанной арматурой, в – бочкообразная с жесткой арматурой, 1 – арка из спецпрофиля, 2 – железобетонные затяжки, 3 – гибкая арматура, 4 – двутавровые элементы рамы, 5 – железобетонные затяжки

Сборная железобетонная крепь. Эта крепь способна воспринимать горное давление почти сразу после ее установки, поэтому во многих случаях временной крепи не требуется. Этой крепью можно крепить выработки различной формы поперечного сечения. Она может быть жесткой и податливой. Ее элементы изготавливают индустриальным способом на заводах железобетонных конструкций из обычного и предварительно напряженного железобетона.

К настоящему времени разработано и испытано множество конструкций железобетонной крепи для различных горно-геологических условий (рис.16-18). Установка крепи может осуществляться вручную (при массе ее элементов до 80 кг) или с применением крепеустановщиков.

Анкерная (штанговая) крепь. Этот вид крепи принципиально отличается от других тем, что устойчивость обнажений обеспечивается не за счет возведения поддерживающих конструкций, а за счет увеличения несущей способности прилегающих к выработке пород путем скрепления их отдельных слоев штангами, помещаемыми тем или иным способом в специально пробуренных шпурах (скважинах). По роду материала различают штанги металлические, деревянные, железобетонные, с химическим закреплением и др.

 

Условия работы штанговой крепи весьма разнообразны, но можно выделить три наиболее характерных случая:

Рис.16. Железобетонная арочная шарнирная крепь   Рис.17. Железобетонная арочная податливая шарнирная крепь         б а   Рис.18. Сборная железобетонная крепь УРП: а – трапециевидная, б – полигональная

· слой малоустойчивой породы незначительной мощности «подшивается» штангами к устойчивой кровле (рис.19, а);

· несколько слоев породы небольшой мощности «сшиваются» штангами в одну пачку (рис.19, б и в);

· однородная трещиноватая порода «прошивается» штангами, вследствие чего повышается ее устойчивость (рис.19, г).

б

а

	Вид А
		Вид Б

 

	в
		г

Г

В

	Вид В
		Вид Г

 

Рис.19. Штанговая крепь: а – штанги с опорными плитками в кровле,

б – штанги с металлическими подхватами в кровле и лежнями в подошве, в –

штанги с деревянными подхватами и затяжкой в кровле и штанги в боках,

г – штанги с металлическим арочным подхватом и с затяжкой из сетки

Надежная работа штанг обеспечивается их прочным закреплением в скважине. Наиболее часто встречающиеся конструкции штанг представлены на рис.20.

 

 

 

 

Рис.20. Конструкции штанг: а – металлическая клинощелевая; б – металлическая клинощелевая со съемной головкой; в и г – металлическая распорная со съемной и с клиновой головкой соответственно; д – металлическая стержневая штанга, закрепляемая с помощью взрыва; е – металлическая трубчатая штанга с заполнением камуфлета бетоном; ж и з – железобетонные с арматурой; и – железобетонная с гладкой арматурой волнистого очертания; к – деревянная клинощелевая

 

1 – стержень штанги; 2 – клин; 3 – усы замковой части; 4 – щель; 5 – опорная плитка; 6 – гайка;

7 – съемная головка увеличенного диаметра; 8 – съемная конусная головка; 9 – четырехлепестковая не полностью разрезанная гильза с ребристой наружной поверхностью; 10 – клиновая головка; 11 – двухлепестковая разъемная гильза; 12 – съемная головка с каналом для заряда ВВ; 13 –

арматура периодического профиля; 14 – металлическая перфорированная обойма; 15 – металлическая фасонная шайба

Штанговая крепь может применяться практически в любых горно-геологических условиях как самостоятельно, так и в сочетании с обычными видами крепи или с торкретированием кровли и боков выработки по металлической сетке или без нее.

 

 

3.4. Общие требования к расчету крепи горизонтальных горных выработок

 

Для расчета крепи необходимо определить размеры поперечного сечения выработки в свету (S _св) и вчерне (S _вч) и установить величину и характер давления горных пород. Для каждого вида крепи составляется расчетная схема, отражающая конструкцию крепи и действующие на нее нагрузки.

Металлические арки в зависимости от их конструкции обычно рассчитывают по схемам двух-, трех- или пятишарнирных арок или по соответствующим соотношениям вертикальной и боковой нагрузок. Методами строительной механики вычисляют изгибающие моменты и нормальные силы в различных сечениях по периметру арки. Поперечное сечение элементов крепи определяют по формуле сжатия с изгибом для точек с наименее выгодным сочетанием изгибающего момента и нормальной силы.

При расчете монолитной железобетонной крепи, установив величину и характер горного давления и задавшись предварительно толщиной свода и стен, находят изгибающие моменты и нормальные силы в характерных точках периметра крепи. По известным усилиям находят необходимое количество рабочей арматуры. Если оно превышает 2 %, то для уменьшения напряжения в сечении крепи изменяют ее очертание или толщину.

Сборная железобетонная крепь обычно рассчитывается как шарнирная конструкция. В этом случае после определения усилий в элементах крепи от принятых расчетных нагрузок и установления размеров ее поперечного сечения и количества рабочей арматуры производится поверочный расчет стыков в узлах сопряжения.

Расчет анкерной (штанговой) крепи включает уточнение схемы работы штанг в конкретных условиях, выбор типа штанг, длины и диаметра стержня штанги, расчет несущей способности стержня штанги по прочности при растяжении, расчет параметров замка штанги и проверку его несущей способности, определение сетки расположения штанг, проверку устойчивости нижней пачки пород в промежутке между штангами.