Тема 8. Лекція 11. Визначення навантаження на кріплення вертикальних стволів

Вертикальні стволи шахт є головними в комплексі виробок, забезпечуючи зв'язок підземної частини підприємства з поверхнею.

Це виробки довгострокового призначення і у зв'язку з цим, до них висувають підвищені вимоги: кріплення стволів не повинне мати ушкоджень, що досягається вибором відповідного матеріалу і належним запасом міцності, який визначається розрахунком.

Теорії гірського тиску, що дозволяють визначити навантаження на кріплення вертикальних виробок характеризуються трьома на-прямками.

Перший напрямок заснований на застосуванні простих фізичних моделей, відповідно до яких навантаження на кріплення створю-ється бічними породами, що мають той чи інший ступінь руйну-вання. При цьому величина навантаження не залежить від часу, технології і характеристик самого кріплення. В основу розрахун-кових методів цього напрямку покладена теорія розрахунку підпір-них стін.

Другий напрямок заснований на гіпотезах взаємодії кріплення, що спільно деформується з навколишнім породним масивом. У цьому випадку навантаження на кріплення залежить і від жорст-кості кріплення, і від параметрів технології його зведення.

Третій напрямок утворюють емпіричні методи, що ґрунтуються на результатах відповідним чином оброблених і представлених шахтних і лабораторних експериментів.

Методи розрахунку навантаження на кріплення ствола, основані на теорії розрахунку породних стін

Перше теоретичне рішення задачі про тиск гірських порід на кріплення шахтного стовбура було запропоновано М.М. Про-тодьяконовим понад 80 років тому. Воно ґрунтувалося на увленні про породи як незв'язаного (сипучого) середовища. Відомо, що відповідно до теорії розрахунку підпірних стін, горизонтальний тиск у такому середовищі дорівнює:

(1)

д е величина – коефіціент бічного розпира-ння для сипучого середо-вища, γ – густина породного масиву.

Розрахункова схема для вирішення задачі приведена на рис.1.

При перетині n пластів, які володіють різними фізико-ме-ханічними властивостями, М.М. Протодьяконов реноме-ндував розраховувати серед-ньозважене значення кута внутрішнього тертя за форму-лою:

(2)

де f_n – коефіціент міцності n–го пласта, h_n – потужність n–го пласта.

Як випливає з формули (1), тиск на кріплення ствола має місце в породах будь-якої міцності, на будь-якій глибині і пропорційний цій глибині.

Практика ж показує, що при перетинанні міцних порід стінки ствола можуть довгі роки зберігати стійкість навіть без кріплення.

Ця невідповідність теоретичних висновків результатам натурних спостережень спонукала П.М. Цимбаревича внести зміни в розра-хункову схему, представлену вище.

Перша зміна (1933 р.) полягала в тому, що горизонтальне наван-таження на кріплення визначалось для кожного шару, який пере-сікав ствол, відповідно до його фізико-механічних характеристик (рис. 2).

Рис. 2. Розподілення навантаження на кріплення ствола за П.М. Цимбаревичем

Величина навантаження визначалася на контактах у вище лежа-чому р_n-1 і нижчележачому р_n-1 шарах:

(3)

(4)

де γ_і – об’ємна вага порід і–го пласта; h_і – потужність і–го пласта; ρ_n і ρ_n-1 – величина кута внутрішнього тертя в суміжних пластах. При таких розрахунках епюра навантажень на кріплення має вигляд, зображений на рис. 2.

У 1953 р. П.М. Цимбаревич вніс друге уточнення у свій метод, врахувавши можливість відсутності тиску в міцних шарах породи.

Умови відсутності тиску в шарі забезпечується умовою

(5)

де R_c – межа міцності порід шару на одноосне стиснення, μ –коефіцієнт Пуассона порід шару.

У загальному вигляді, з урахуванням величини зчеплення порід, викладена вище задача була вирішена А.П. Максимовим. Тиск на кріплення ствола в цьому випадку визначається за формулою:

(6)

де С – зчеплення порід.

З формули (6) можна визначити граничну глибину, починаючи з якої породи переходять у нестійкий (сипучий) стан:

(7)