книги из ГПНТБ / Садовский, Г. И. Механика горных пород, расчеты крепи и конструктивных элементов систем разработки рудных месторождений подземным способом [учебное пособие]
.pdfботка которых должна быть тесно увязана с выемкой основ ных запасов.
Предлагается следующий метод расчета:
1)определяются нагрузки, действующие на несущую пло щадь целика;
2)рассчитываются критические нагрузки на целик;
3)производится оценка прочности барьерных целнков пу
тем сравнения действующих в целиках нагрузок с допустимы ми. Величина последних зависит от прочностных характери стик массива и коэффициента несущей площади.
При решении первой части задачи исходим из следующих положений: целики испытывают давление, обусловленное пол ным весом вышележащих пород:
Р=уН . т/м2. |
(37.4) |
Напряжение но площади поперечного сечения целиков от веса вышележащих пород распределяется равномерно.
Рис. 34. Схема давления консоли в барьер ных целиках:
1 — барьерный целик; 2 — зона консольно го давления (а)
110
Одним из основных факторов, определяющих устойчивость целиков к нагрузкам, является коэффициент несущей площа ди
|
Ku^Sn/s* |
|
(38.4) |
где Sn — площадь |
сечения целика за |
вычетом |
площадей, об |
разованных горными выработками, м2; |
|||
S — площадь |
сечения сплошного |
целика, |
м2. |
Вес призмы необрушившихся породных консолей в зависи мости от стадии обрушения в выемочных нолях, окружающих барьерный целик, определяют, исходя из построенных верти
кальных разрезов (рис. |
34). |
|
|
|
|
Реакция со стороны целика на нагрузку от иеобрушивших- |
|||
ся консолей равна |
|
|
|
|
|
q=S„Ycp, т/м, |
|
(39.4) |
|
где |
SK— площадь призмы, которая |
находится по |
формуле: |
|
|
S It= l/2 (H - h )/, м2, |
(40.4) |
||
где |
■/ — горизонтальное |
расстояние |
от границы |
целика до |
обрушения на поверхности, м.
Величина вертикального давления от пригрузки породной консоли распределяется на призабойную часть целика шири ной а.
По номограмме (рис. 35) определяется ширина зоны дейст вия консольного давления (а) в зависимости от коэффициента несущей площади Кп.
Ширина зоны опорного давления является своего рода сум марной характеристикой системы — «вышележащие породы
— консоль». Найденные величины нагрузки от необрушившихся консолей (q, т/м2) суммируются с полученными ранее нагрузками от веса вышележащих пород (Р, т/м2), при этом учитывается коэффициент несущей площади.
Действующая нагрузка на опасное сечение целика опреде ляется по формуле:
P=YH/Kn+q/aK„. (41.4)
В сечении, где действует только вес вышележащих пород, нагрузку вычисляем по формуле
Р„=уН/Кп. (42.4)
Ш
Критическую нагрузку Рк, которую выдерживает массив, определяют на основании лабораторных испытаний образцов на одноосное сжатие аСж, т/м2 с учетом коэффициента струк турного ослабления Кс
Рк==сгсж, Ко |
(43.4) |
Натурными наблюдениями установлено, что коэффициент структурного ослабления находится в пределах 0,25—0,30.
Определив действующие и критические нагрузки, находим коэффициент запаса прочности п для сечения, попадающего в зону консольного давления, по формуле
_ аКп •Рк |
(44.4) |
||
ayH-f-q |
|||
|
|||
Для остального сечения по формуле |
|
||
__РкКп |
. |
(45.4) |
|
п— ■ |
|||
уН |
|
|
|
Цм
Рис. 35. Номограмма определения ширины зоны дей ствия опорного давления (а)
112
При заданном коэффициенте запаса прочности определя ется оптимальная площадь горно-подготовительных выработок, не нарушающих устойчивость массива, выраженную через ко эффициент несущей площади — Кп. В зоне опорного давле ния этот коэффициент определяется по формуле
п(ауН-Н)
(46.4)
В остальных сечениях
(47.4)
§ 3. Расчет искусственных опор
Анализ практики разработки месторождений с твердею щей закладкой и научно-исследовательских работ, посвящен ных изучению несущей способности искусственных опор, по казывает, что в основу метода расчета устойчивых параметров искусственных массивов заложен характер перераспределения между рудными целиками и искусственными опорами.
Принято, что в начальную стадию разработки месторож дений основную «нагрузку от налегающих пород несут рудные целики. Искусственные опоры выполняют роль поддержива ющих конструкций. Параметры сводов давления па искусст венные массивы обосновываются, как правило, структурой на легающих пород и принятыми схемами нагрузок на рудные целики. По этой методике в качестве примера приведен расчет основных элементов систем при разработке сплошных суль фидных руд Талнахского месторождения с применением твер деющей закладки.
Схема расчета имеет следующий порядок:
1)искусственные опоры в панели нагружены весом выше лежащих вкрапленных руд;
2)коэффициент формы опор определяется по формуле:
Кф=а/Ь, |
(48.4) |
где а — ширина целика, h — высота целика;
ИЗ
3) при расчете прочности бетона, когда отрабатывается панельный целик, принимается коэффициент упрочнения бе тонного массива Ку, равный 2;
4) рудные целики на всех стадиях выемки несут нагрузку от веса покрывающих пород.
I
: J |
. / |
J |
Рис. 36. Схема выемки запасов руды в пределах панели
Проверка несущей способности рудных целиков и панели после выемки первичных камер (рис. 36) производится цо формуле:
____СТсжКф__ |
(49.4) |
|
уНКпКос |
||
|
||
где у — объемный вес налегающей толщи пород, |
т/м3; |
|
Н — глубина разработки, м; |
|
|
Нп — коэффициент пригрузки (определяется |
как отно |
шение площади пород кровли, приходящейся на це лик, к его площади поперечного сечения);
Ка — коэффициент, учитывающий изменение нагрузки на целики с изменением угла падения рудного тела. Значение этого коэффициента берется из ранее при веденной табл. 21.
114
Во вторую стадию выемки, когда образуется система бе тонных опор и незаложенных камер, напряжения в опорах определяются по формуле:
у'Н'КпКа
кг/см2, (50.4)
Кф
где о — фактическое напряжение в бетонной опоре, кг/см2;
у' — объемный вес вкрапленных руд, т/м3;
Н' — высота нагруженного слоя, равная мощности вкрап ленных руд, м.
Оценка несущей способности рудных целиков производится по формуле
Пеж •Кф •Ку |
(51.4) |
|
уНКпКа |
||
|
||
где Ку — коэффициент упрочнения |
рудных целиков заклад |
|
кой ^ 2 . |
|
|
После выемки рудного целика |
образуется искусственная |
опора шириной 24,0 м, ее прочность определяется по формуле:
у'Н'КпКа-п |
кг/см2, |
(52.4) |
|
КФ |
|||
|
|
где п=2,0; Кф==1,2 (принят по Церну).
Панельные целики проверяются на устойчивость по фор
муле: |
|
|
Осж •КфКу |
(53.4) |
|
уНКп-Ка |
||
|
В зависимости от мощности рудного тела рекомендуется принимать следующую прочность бетонной закладки:
а) при высоте искусственной опоры до 14,0 м
о=45н-55 кг/см2;
б) при высоте искусственных опор более 14,0 м
о=90Ч-100 кг/см2;
115
в) для заполнения выработанного пространства панельного целика
0=30-4-50 кг/см2.
В том случае, когда проведен большой комплекс исследо ваний по выявлению закономерностей перераспределения гор ного давления между рудными и искусственными массивами, возможно определение прочности искусственной закладки по следующей формуле:
уН'-пКа |
, кг/см2, |
(54.4) |
а _ Ки-Кф-Кс |
||
где Н' — стрела свода давления, |
м; |
|
Кк — коэффициент контактируемости; Кс — коэффициент структуры.
Остальные коэффициенты имеют те же значения, что и в ранее приведенных формулах.
Значение стрелы свода давления Н' для разных стадий раз работки шахтного поля определяется по результатам изуче ния закономерностей деформирования налегающих пород.
Коэффициент запаса прочности п выбирается с учетом сле
дующих факторов: |
|
|
|
n =n in 2n3n4, |
|
(55.4) |
|
где П) — коэффициент, |
учитывающий |
изменение прочност |
|
ных свойств закладки; |
возможное уменьшение |
||
п2 — коэффициент, |
учитывающий |
||
площади поперечного сечения искусственной опоры |
|||
в процессе выемки рудных целиков; |
взрывных ра |
||
Пз — коэффициент, |
учитывающий |
влияние |
|
бот; |
учитывающий |
процесс |
деформирова |
п4 — коэффициент, |
|||
ния искусственных опор во времени.
По результатам исследований, проведенных на Норильских рудниках, установлены следующие значения коэффициентов:
П != 1,20; п2= 1,10; п3= 1,15; п4= 1,40.
Следовательно, общий коэффициент запаса прочности
n = 1,20 ■ 1,10 -1,15 • 1,40=2,2.
116
Так как превалирующий угол падения разрабатываемых залежей в рассматриваемых условиях находится в пределах 10°, то значение коэффициента Ка принимается равным 0,99.
Значение коэффициента формы (Кф) для искусственных опор при h /a > l можно определить по формуле
Кф=1,30—0,30h/a.
Коэффициент контактируемости (Кк), учитывающий вли яние полноты контакта искусственных опор на их несущую способность, равен 0,75—0,80.
Коэффициент структурного ослабления (Кс), учитывающий снижение несущей способности слоистых искусственных опор по сравнению с монолитными, колеблется в пределах от 0,5 до 1.
В заключение следует отметить, что предложенная мето дика может быть применена для выбора необходимой проч ности закладки при разработке месторождений с аналогичны ми горнотехническими условиями. Однако численные значения коэффициентов, входящих в приведенную выше формулу, нужно определять по результатам исследований применитель но к рассматриваемым условиям.
§ 4. Расчет потолочины
Расчет двухслойной потолочины предложен в работе К. В. Руппеиейта. Всю толщу пород, залегающих под непо средственной кровлей, по методу К. В. Руппенейта, «с доста точным для практического применения приближением можно рассматривать как один толстый слой с механическими свой ствами первого, прилегающего к непосредственной кровле пласта».
Тонкая потолочина не только не поддерживает верхние слои, а наоборот, зависает на них и создает дополнительную нагрузку. Чтобы потолочина несла нагрузку от вышележащей толщи и не могла отделиться от нее, должно соблюдаться ус
ловие |
» |
|
|
|
(1—|i2)E,hi®n® |
^0,586, |
(56,4) |
|
6Е/3 |
|
|
117
где Ei — модуль упругости руды, оставленной в потолочине,
т/м2;
Е — модуль упругости пород, прилегающих к руде, т/м2; р, — коэффициент Пуассона руды; / — половина пролета камеры, м.
Кроме того, необходимо, чтобы модуль упругости для руды был больше модуля упругости вышележащей толщи в п раз. Значение можно определить из выражения:
|
n= |
0 1090 |
3. |
(57,4) |
|
- ( / / h ) |
|||
На основании вышеизложенного -находим устойчивую тол |
||||
щину потолочины |
|
|
|
|
|
h |
Е |
|
(58.4) |
|
( l - V ) E , |
|
||
|
|
|
|
|
Для расчета устойчивой толщины потолочины А. А. Или |
||||
вицкий предлагает формулу: |
|
|
||
|
h=Z |
|
|
(59.4) |
где h — толщина потолочины, м; |
|
|
||
/ — ширина камеры, |
м; |
т/м2; |
|
|
Кр |
предел прочности на разрыв, |
|
||
у |
— объемный вес породы в разрыхленном состоянии, т/м3; |
|||
Н— высота вышележащего этажа с обрушенными поро дами.
Институт ВНИМИ для определения предельного пролета многослойной потолочины, с учетом пригрузки на нижний слой вышележащих слоев, рекомендует:
%р= |
_______ ОизгЬ^_____ |
(60.4) |
|
(yh-f Kyh-f-Yihi) -n |
|||
|
|||
где Оизг — предел прочности на изгиб, т/м2; |
|
||
h — толщина |
потолочины, м; |
|
|
hj — мощность |
пригруженного пласта слабых пород, м; |
||
118
у — объемный вес материала потолочины, т/м3;
Yi — объемный вес пригруженного пласта слабых пород,
т/м3;
К — коэффициент пригрузки на нижний слой со сторо ны вышележащих слоев потолочины.
При однослойной потолочине К =0 . В этом случае формула примет вид:
(61.4)
Предельную ширину наклонной камеры с учетом пригруз ки вышележащих слоев по формуле сопротивления материалов можно найти из выражения:
(62.4)
где у — объемный вес породы висячего бока, т/м3; h — мощность слоя, м;
а — угол падения рудного тела, град.;
К— коэффициент пригрузки, предельное значение кото рого, по наследованиям ВНИМИ, можно принять
равным 0,25.
Зависимость прочной толщины потолочины и ширины мсждукамерного целика от глубины разработки для рудников Кривого Рога показана на графике (рис. 37).
§ 5. Построение предохранительных целиков
Все гражданские и промышленные сооружения, искусст венные и естественные водоемы и другие объекты, попадаю щие в зону опасного влияния горных разработок, подлежат охране от вредного влияния горных работ.
Меры охраны объектов должны быть выбраны и отражены в специальном разделе при составлении проекта горного пред приятия, а также при составлении проекта сооружения, воз водимого на площади залегания полезного йскопаемого, и уточнены в процессе производства горных работ.
Порядок оформления и утверждения мер охраны, преду преждения организаций, ответственных за сохранность и нор
119