Совершенствование разработки калийных месторождений
..pdfдение является следствием идеализации реального массива, допущен ной при выводе аналитических зависимостей, и приближенного харак тера информации о свойствах породы.
Надежность проектных решений можно повысить, рассматривая су
ществующие выработки, |
как прототипы |
новых. Принципиальная схема |
|
расчета параметров крепи по прототипам приведена |
в работе С 13 . |
||
В пластичных породах |
метод условных |
измерителей, |
положенный в осно |
ву таких расчетов, имеет свои особенности.
Воспользуемся зависимостями перемещений контура выработок от напряжений в массиве Г 2 ]
|
для незакрепленных выработок |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
и |
|
<д~ а |
|
t i |
|
|
|
|
|
|
|
|
= — *— |
|
|
|
(1) |
||||
|
|
|
|
|
|
2<Л |
|
|
|
|
|
|
|
для закрепленной выработки |
|
|
£ 6 . |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
) |
|
|
|
|
|
|
IL s |
|
К |
|
|
|
|
( 2) |
|
|
|
|
|
£ S |
|
|
|
|
|
|||
Яри |
податливой крепи постоянного |
сопротивления |
|
|||||||||
|
|
|
|
U=r~Z~— ( & |
г |
~ Р |
г |
' |
(3 ^ |
|||
|
|
|
|
2JUL |
\ |
|
H CL' |
|
|
|||
где |
а |
- |
полупролет (радиус) выработки в свету; |
|
||||||||
|
|
- |
напряжение в нетронутом |
массиве; |
|
|
||||||
|
Е |
- |
модуль деформации |
материала крепи; |
|
|||||||
|
О |
- |
толщина |
крепи; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
J*- |
- |
коэффициент вязкости; |
|
|
|
|
|
|
|||
|
t |
- |
продолжительность существования выработки с момента ее |
|||||||||
|
|
|
проведения; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рл - |
отпор крепи. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
При проектировании |
подземного |
сооружения параметры CL , |
в , |
||||||||
S |
, |
t |
, р л |
могут |
быть заданы |
однозначно. Относительно |
точно |
оценивается и напряженность массива, поскольку можно предполагать равенство вертикальных и горизонтальных напряжений С3] . Наиболее уязвимой величиной является характеристика текучести массива - ко эффициент вязкости. Для его определения необходимы натурные наблю дения с последующим вычислением значения JJL по формуле
<о? а
2 и. i ’ |
(4> |
где tt - смещения, измеренные в выработке через промежуток вре мени t .
Организация натурных наблюдений в течение длительного време ни возможна лишь на действующем горном предприятии или сооружении. Для нового объекта приходится пользоваться приближенными значения ми коэффициента, полученными для других разновидностей пород в
сходных условиях.
Напряжения в 1фепи при радиальных перемещениях и вычисляют
ся по формуле
и Е
CL |
(5) |
|
Из формулы (5) видно, что напряжения в крепи зависят от смеще ний породного контура. Любая неточность, допущенная при определении величины смещений, может привести к ошибке.
При проектировании податливой крепи расхождения расчетного и фактического значений перемещений контура допустимы, если крепь обладает достаточным запасом податливости. Однако и в этом случае исходная информация о состоянии и свойствах пород массива должна быть по возможности точной. Приближенные оценки свойств массива де лают расчеты по формулам (1 )-(5 ) условными и применимыми лишь для ориентировочных прикидок.
Рассмотрим порядок проектирования выработок по прототипам для трех основных случаев:
1)выработка поддерживается без крепи;
2)выработка лепится жесткой поддерживающей крепью, работаю щей в пределах упругости;
3)выработка затеплена податливой крепью разного сопротивле ния с ограниченным запасом податливости.
Во всех трех случаях предполагается наличие соответствующего аналога (прототипа), т .е . выработки с аналогичной крепью, поддержи ваемой в устойчивом состоянии в сходных по напряженности и вязкости
массива |
условиях. |
|
|
|
При проектировании выработки без крепи прототипом должна слу |
||||
жить выработка |
без |
крепления. В этом случав фактически реализован |
||
ные перемещения контура |
известны. Маловероятна тождественность |
|||
и = и ф |
(здесь |
и |
- расчетные перемещения), так как расчетная схе |
|
ма в известной мере |
идеализирована. Обозначим |
Здесь коэффициент к показывает, насколько расчетные перемещения отличаются от фактических. По его значению можно судить о соответ ствии поведения идеализированной и реальной систем. Если /с = I,
то перемещения контура реальной выработки точно следуют теоретичес
кой зависимости ( I ) . |
При |
к ф 1 расчетная формула дает ошибку |
в |
большую или меныпую сторону. |
|
||
Подставим (6) в |
выражение (I) и решим его относительно |
/с: |
|
|
х |
= |
(7) |
|
|
и |
|
Здесь /с является условный измерителем, позволяющим учесть неточ ность расчетной схемы при определении перемещений контура новой выработки за период времени t
|
и = |
2J * K |
■t. |
|
|
( 8) |
|
Для определения времени, |
за |
которое перемещения контура |
не |
||||
превысят предварительно |
заданного |
значения |
и , формулу |
(8) |
преоб |
||
разуем к виду |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 U J 4.K |
|
|
(9) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Условный измеритель |
(7) |
вычисляется по данным прототипа. В фор |
|||||
мулы (8) и (9) подставляются |
данные |
новой выработки. |
|
|
|||
Во втором случае требуется определить параметры жесткой под |
|||||||
держивающей 1фепи. Рассматривается |
крепь кольцевой формы попереч |
||||||
ного сечения. Выработки |
другой формы сечения |
необходимо |
привести |
||||
к эквивалентной кольцевой. |
|
|
|
|
|
|
|
Положим в формуле (5) 6 = |
|
(где ^пр~ расчетное |
сопротив |
ление материала 1фепи при сжатии) и получим выражение для условного
измерителя |
и |
£ |
|
к |
|||
а |
(Ю ) |
||
|
#пр |
После подстановки в (10) выражения для перемещений (2) получим
х = в г а |
1 - е |
(П) |
Для участка выработки, выбранного в качестве прототипа, па
раметры крепи а , о I |
Е » |
р и время ее службы t |
будут иметь |
конкретше значения. |
Расчетные напряжения в массиве |
также |
можно считать известными. Приближенное значение будет иметь лишь характеристика вязких свойств массива р. , для определения кото рого, как указывалось, необходимы натурные наблюдения. Таким об разом, численная величина условного измерителя (II ) будет отра жать, с одной стороны, представительность и точность наблюдений за перемещениями контура, а с другой - корректность выражения (4 ), по которому вычислен коэффициент вязкости. Соответственно при определении параметров новой 1фепи условный измеритель позволяет скорректировать в расчете возможные неточности, возникающие по
тем же причинам.
Из параметров крепи расчетным является толщина вдепи 8 , по скольку геометрические размеры и вид материала обычно выбираются конструктивно. Толщина крепи определяется из формулы (II) путем подстановки в нее данных проектируемой выработки. При этом значе ние условного измерителя не должно превышать такового для прототипа. Можно решить задачу в иной постановке, задавая толщину крепи в ра зумных по экономическим и технологическим соображениям пределах и вычисляя время, в течение которого напряжения в крепи не превы сят допускаемых.
Цри податливой крепи равного сопротивления требуется опреде лить отпор крепи и необходимый запас податливости. Предположим,
крепь выработки-прототипа |
при постоянном отпоре р ^ имеет запас |
||||
радиальной |
податливости |
и^р . Поскольку выреботка^прототип сох |
|||
раняет устойчивое состояние, |
то за прошедший с момента установки |
||||
крепи |
промежуток времени |
t |
реализована лишь часть этого запаса, |
||
равная |
K U j'p. Расчетное |
значение перемещения контура выработки и |
|||
за время |
t |
определится по формуле (3 ). С некоторым приближением |
|||
можно предположить |
|
|
|||
Здесь |
к |
- |
коэффициент, |
указывающий, какая часть запаса податли |
|
вости |
исчерпана 8а время |
i |
• Примем его эа условный измеритель |
||
и определим |
по формуле (3 ): |
|
|
При проектировании крепи с помощью условного измерителя мо |
||
гут |
быть определены: |
|
|
|
промежуток времени* в течение которого будет исчерпан про |
||
ектный запас податливости |
едепи; |
||
|
запас податливости, |
которым должна обладать едепь для обес |
|
печения поддержания выработки в заданный промежуток времени; |
|||
|
отпор крепи, необходимый для ограничения перемещений кон |
||
тура |
в заданных пределах |
за проектный срок службы выработки. |
|
|
В двух первых |
случаях отпор крепи считается заданным, так |
|
как он определяется |
конструкцией 1фепи. |
Решение достигается путем подстановки в формулу (13) данных проектируемой выработки и цреобразования ее относительно расчет ного параметра:
(14)
(15)
( 16)
В формулы (1 4 )-(1 6 ) подставляется значение /с , вычисленное по формуле (13) по данным прототипа.
Пример I , Определить, за какой промежуток времени контур незакрепленной выработки радиусом 3,5 м сместится на 0 ,2 , Напряже ния в массиве 20 МПа, коэффициент вязкости породы 2000 МПатод.
Р е ш е н и е , Пуоть за прототип принята выработка радиусом 3 м, пройденная в породах, коэффициент вязкости которых равен 2500 МПатод, цри напряжениях в массиве 25 МПа. За 10 лет контур прототипа сместился на 0,075 м.
По данным прототипа условный измеритель
25 3 -10
2 2500-0,075
Для проектируемой выработки искомый параметр определится по фор муле (9 ):
2 -0 ,2 - 2 0 0 0 * 1, 99 = 2 2 ,в лет .
2 0 '3 ,5
Заметим, что без |
прототипа |
"прямое" вычисление t по форму |
||
ле (I ) дает значение |
t = |
11,4 |
лет. Таким образом, |
численная вели |
чина условного измерителя |
( лг > / ) указывает, что |
зависимость (I ) |
||
в заданных реальных условиях дает завышенные перемещения. |
||||
Поимев 2. Определить, |
за какой период времени |
после проведе |
ния выработки напряжения в крепи превысят допускаемые значения. Внутренний радиус выработки 3 м, крепь - монолитная бетонная из бетона М 200 (расчетное сопротивление сжатию 11,5 МПа), толщина крепи 0,2 м, расчетные напряжения в массиве 18 МПа, коэффициент вязкости пород 2300 МПа*год.
Р е ш е н и е . За прототип принята выработка радиусом 2,5 м, успешно поддерживаемая в течение 5 дет монолитным бетоном марки 200 толщиной 0,25 м. Расчетные напряжения в массиве 15 МПа, коэф фициент вязкости 3000 МПа«год.
По данным прототипа вычислим условный измеритель (I I ) :
2,‘i-1 0 , 0.2S-S
2 3000-2,5
= H,2 Z.
Искомый промежуток времени определится из формулы (I I ) при условии
(Г7)
Подставим в выражение (17) данные цроектируемой выработки:
Полученному уравнению удовлетворяет значение |
t ^ 1 ,8 6 . |
||
|
Таким обрезом, |
в рассматриваемых условиях крепь толщиной |
|
0,2 |
м обеспечивает |
устойчивость выработки на |
период до 2 лет. Во |
ди |
требуется увеличить расчетный срок службы |
ЭДреботки, необходимо |
увеличить толщину крепи или марку бетона. Например, крепь толщиной 0,3 м позволяет увеличить этот период до 2,5 Лет.
При толщине крепи 0,5 м условие (17) выполняется при любых значениях t • Это значит, что такая крепь обеспечивает устойчивость выработки на длительный период. Однако для уверенного вывода тажо-
го рода желательно иметь прототипы с более цродолжительным перио дом поддержания.
Пример 3 . Определить, каким запасом радиальной податливости должна обладать крепь постоянного сопротивления с отпором 0,05 МПа для поддержания выработки радиусом 3 м в течение 20 лет. Расчетные
напряжения в массиве |
22,5 МПа, коэффициент вязкости 1600 |
МПа-год. |
Р е ш е н и е . |
За аналог принята выработка радиусом |
3,5 м, |
закрепленная податливой 1фепыо с отпором 0,075 МПа, контур кото рой за счет податливости сместился за 15 лет на 0,12 м. Выработка пройдена на глубине 700 м. Объемный вес пород 0,023 МН/м3 , коэф фициент вязкости 1900 МПа•год.
Вычислим расчетные напряжения в массиве:
<б2= 0,023-700= /6,1 МПа
Условный измеритель
3,5
к = 2-1900-0,12 (f6,1-0,075)-/5=f,6b.
Необходимая величина конструктивной радиальной податливости определится из выражения (15):
и = ------ ------- - (22,5 -0,05)-20= 0,23м . 2-1600-/,<34 {
Рассмотренные примеры показывают, что с помощью условных из мерителей аналитическое решение корректируется с учетом опыта экс плуатации существующих выработок. Заметим, что предлагаемая мето дика расчета параметров крепи в пластичных породах двет возмож ность решать разнообразные задачи, в том числе исследовательского характера. Например, может быть исследована взаимосвязь между от пором крепи, ее податливостью и сроком службы выработки. Как и при проектировании крепи надежность результатов будет определять ся качеством и числом выработок-аналогов.
Предложенную схему расчета по прототипам с помощью условных измерителей можно применять для решения других задач механики под земных сооружений, нацример, для расчета целиков и ширины камер при разработке соляных месторождений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кайдалов Н.Н., Огородников Ю.Н. Применение метода услов ных измерителей академика Ю.А. Шиманского при расчетах подземных
сооружений / / |
Механика |
подземных сооружений / Тульский политехи, |
|
ин-т. - |
Тула, |
1982. - |
С. 92-96. |
2. |
Кайдалов Н.Н., |
Карпухина О.Е., Терещенко В.П. К опреде |
лению перемещений горных выработок в условиях текучести окружаю
щего массива / / Устойчивость |
и 1фепление |
горных выработок / Ле |
||
нигр. горный ин-т. - |
Ленинград, 1984. - |
С. |
59-62. |
|
3. Константинова |
С.А., |
Мисников В .А ., |
Карташов Ю.М. Иссле |
дование бокового распора массива подстилающей каменной соли Верх некамских калийных рудников / / Разработка соляных месторождений / Перм. политехи, ин-т. - Пермь, 1980. - С. 132-137.
УДК 622.831
В.А. Мисников
0 ФОРМАХ И ОСОБЕННОСТЯХ ПРОЯЕШИЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ В ОКРЕСТНОСТИ НЕЗАКРЕПЛЕННЫХ ОДИНОЧНЫХ ВЫРАБОТОК
СОЛИГОРСКИХ КАЛИЙНЫХ РУДНИКОВ
(Белорусский филиал ЕНИИГ)
Были цроведены измерения*) и анализ смещений дородного кон тура не залепленных одиночных капитальных и подготовительных выра боток в условиях Третьего и Четвертого рудников производетве иного объединения "Белорускалий". Экспериментальные выработки пройдены одним ходом комбайна ПК-8 с диаметром исполнительного органа 3 м, в Третьем калийном пласте на глубине 700-1000 м, имеют симметрич ную арочную форму и различную "привязку" кровли в пласте.
Замерные станции были оборудованы контурными реперами, ус тановленными в кровле, боках и почве выработки в двух близрасположенных вертикальных сечениях для дублирования измерений. В один
надцати выработках реперы были установлены после |
обнажения контуре |
||
в 15-30 см от |
приостановленного забоя (таблица), |
в десяти - через |
|
1-4 оутки после их проведения. |
|
||
х) |
В шахтных |
измерениях цринимали учаотие П.П. Ногин и Е.В.Окушко. |
|
|
48
Условия и результаты наблюдений за деформированием контура одиночных выработок
Номер |
Рудник |
Глубина |
Мощность ближнего |
Суммарная мощность |
Время |
Коэффициенты, |
учиты |
|||
выра |
|
заложе |
к контуру |
коржа /г, |
глины в 1,3-метровом |
* * , |
вающие фактор |
гео |
||
ботки |
|
ния Н , |
см |
|
вазоезеXZmL.см |
|
логии |
|
||
|
|
м |
в кровле |
в почве |
кровли |
почвы |
сут. |
|
j |
Кп |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
||||||
I |
3 |
700 |
15 |
12 |
27 |
8,2 |
I |
2,7 |
4,2 |
1.2 |
2 |
3 |
725 |
9 |
33 |
35,8 |
7,6 |
2 |
2,75 |
4,4 |
0,9 |
3 |
3 |
780 |
66 |
29 |
3,3 |
39,5 |
2 |
4,24 |
0,7 |
7 ,8 |
4 |
3 |
725 |
30 |
49 |
13,2 |
2 .7 |
4 |
1.2 |
1,6 |
0 ,8 |
5 |
3 |
725 |
15 |
21 |
13,0 |
3 .1 |
2 |
1,73 |
2 ,2 |
I . I |
6 |
4 |
850 |
16 |
20 |
15,2 |
3 ,7 |
2 |
1,95 |
2,7 |
1.0 |
7 |
4 |
850 |
28 |
41 |
14 |
3,5 |
2 |
1.9 |
2,86 |
0,95 |
8 |
4 |
990 |
28 |
41 |
14,2 |
3 ,5 |
I |
2,0 |
2,9 |
1Д |
9 |
3 |
780 |
24 |
40 |
II . 7 |
3,5 |
3 |
2,3 |
3,8 |
0 ,8 |
Ю |
3 |
725 |
II |
23 |
53,2 |
7,9 |
I |
6,9 |
13,0 |
0 ,8 |
II |
3 |
725 |
4 .2 |
6 |
6,7 |
16,3 |
I |
11,6 |
10,6 |
12,6 |