книги из ГПНТБ / Фисенко, Г. Л. Укрепление откосов в карьерах

зависимости от направления силы реакции крепи по отношению к поверхности сдвига. Эту закономерность легко проследить на примере штанговой крепи. С изменением угла наклона штанг к поверхности скольжения меняется и величина необходимого на­ чального натяжения штанг, а следовательно, и величина давления горных пород (см. рис. IV.5).

Кпараметрам укрепления относятся: геометрические размеры конструкций и сооружений и их несущая способность (если изде­ лия не типовые); общее число элементов крепи и расстояние меж­ ду ними (при расположении в один или несколько рядов); длина замков конструкций и глубина заложения фундаментов сооруже­ ний ниже зоны сдвига; размеры укрепляемой (упрочняемой) зо­ ны; расчетные значения механических характеристик упрочненных пород (kY, ру) .

Средствами укрепления откосов механическими способами яв­ ляются одиночные конструкции (штанги, тросовые тяжи, сваи) и сплошные сооружения (подпорные и защитные стенки, контр­ форсы из скальных пород).

Ксредствам укрепления откосов путем упрочнения пород отно­ сятся различные укрепляющие растворы, химические реагенты, энергия взрыва и т. п.

Покрытие поверхности откосов изолирующими материалами — мероприятие профилактическое, направленное на сохранение есте­ ственной прочности пород после их заоткооки. В табл. IV. 1 приве­ дены параметры, определяемые расчетом для различных способов

исредств укрепления.

10)

§ 2. ШТАНГИ И ГИБКИЕ ТРОСОВЫЕ ТЯЖИ

Р а с ч е т ш т а н г и т р о с о в ы х т я ж е й . Расчет штанго­ вой крепи и гибких тросовых тяжей производится на основе плана и разрезов ослабленного участка, составленных по результатам маркшейдерской съемки и прочностных характеристик пород, ко­ торые определяются путем натурных испытаний, лабораторных ис­ следований или принимаются по аналогии на основании уже имею­ щихся данных о механических свойствах горных пород: угла внут­ реннего трения пород р, угла трения по контакту слоев или тре­ щин р', удельного сцепления по контакту k', плотности пород у. Разрезы выполняются с интервалом 2—5 и даже 10 м, в зависи­ мости от выдержанности параметров уступа и элементов залега­ ния нарушения по протяжению участка. Расчет параметров укреп­ ления производится отдельно для каждого участка. При этом определяются: необходимое суммарное натяжение элементов кре­ пи, их число при известной несущей способности и глубина задел­ ки замков в ненарушенном массиве.

Когда укрепляемый участок подсечен одной или несколькими трещинами, параллельными простиранию борта, расчет параметров укрепления производится исходя из соотношения сдвигающих и удерживающих сил по общей поверхности скольжения для всей призмы обрушения. Если призма возможного обрушения разбита системами взаимно пересекающихся трещин, «роме общего расчета устойчивости всего участка, определяется устойчивость каждого отдельного блока.

Штанги лучше всего работают на растяжение, а тросовые тяжи только на растяжение, поэтому при установке им задается началь­ ное натяжение, по величине равное или даже несколько большее, чем ожидаемое максимальное давление горных пород. В послед­ нее время на подземных работах штанговую крепь в кровле выра­ ботки устанавливают без начального натяжения. Все свободное пространство скважины заполняется цементным раствором, а ме­ таллическая конструкция выполняет роль арматуры. Натяжение полученной таким образом железобетонной штанги создается в процессе деформирования кровли. Величина его ограничивается определенным расчетным значением.

При укреплении откосов также возможно применение железобе­ тонных штанг, но ориентировать их нужно таким образом, чтобы в процессе деформирования уступа штанги испытывали преимуще­ ственно деформации растяжения. Для этого их устанавливают под возможно меньшим острым углом к поверхности скольжения (в вертикальной плоскости). Это правило необходимо соблюдать во всех случаях укрепления откосов штангами и гибкими тросовы­ ми тяжами.

Начальное натяжение, задаваемое конструкциями при установ­ ке, должно обеспечить работу их на растяжение во весь период эксплуатации горной выработки.

102

Расчет параметров укрепления уступов штангами и гибкими тросовыми тяжами при известном ожидаемом давлении горных пород заключается в определении: а) величины начального натя­ жения конструкций (она может быть различной на отдельных уча­ стках); б) общего числа элементов крепи (при известной несущей способности одного элемента); в) расстояния между конструк­ циями; г) глубины заделки замков кон­ струкций в ненарушенном массиве.

Величина суммарного натяжения элементов крепи, устанавливаемых на 1 м длины укрепляемого участка, оп­ ределяется из условия

где Qp — несущая способность одного элемента при работе его на растяжение, тс.

В отдельных случаях железобетонные штанги, устанавливаемые без начального натяжения, испытывают деформации сдвига и ра­

срезу материала конструкции.

Расстояние между отдельными элементами крепи в ряду, а так­ же между рядами определяется исходя из структурных особенно­ стей неустойчивого участка. Если в структурном отношении массив однороден, то элементы крепи распределяются на укрепляемом участке равномерно.

Несущая способность штанг и гибких тросовых тяжей обуслов­ лена как соответствием материала конструкций действующим на­ грузкам и условиям нагружения, так и надежностью заделки зам­ ков конструкций вне зоны сдвига.

При расчете такого замка необходимо учитывать, что его раз­ рушение может происходить по трем направлениям: выдергива­

103

ние штанги из замка; выдергивание штанги с замком из сква­ жины; разрушение пород вокруг замка.

Силы, способствующие разрушению, обозначим через A (i — соответствующий тип разрушения).

Выдергиванию арматуры из замка препятствуют силы сцепле­ ния бетона с арматурой, действующие по зацементированной по­ верхности штанги,

А = ndxlRcц, (IV.4)

где d\ — диаметр штанги или тяжа; I — длина замка; R(:n— удель­ ное сцепление бетона с арматурой.

Для предварительного определения величины Rm можно поль­ зоваться следующими выражениями [31];

для гладкой арматуры

Поскольку для определения R требуются специальные испыта­ ния, ориентировочное значение ее можно определить, зная марку цемента, по формуле

104

105

из которого можно определить требуемую величину сцепления

У4 sin (45° + р/2)

и гибких тросовых тяжей, отнесенная к их диаметрам, в зависи­ мости от прочности пород (Rv), рассчитанная по изложенной вы­ ше методике.

106

Меньшая длина замка относится к более прочным породам. При использовании цемента более низкой марки длина замка оп­ ределяется по формуле (IV.12) при Rcп. найденном по графику рис. IV. 2 для используемой марки цемента.

Несущая способность штанг и тросовых тяжей зависит от их ориентации относительно поверхности скольжения в вертикальной плоскости. При расположении конструкций нормально к поверх­ ности скольжения стабилизирующее действие достигается исклю­ чительно за счет сил трения, пропорциональных величине нормаль-

Рис. IV.3. Силовое воздействие преднапряженных анкеров на укрепляемый массив при различной их ориентации относи­ тельно поверхности сдвига:

увеличивают (ср<90°) или уменьшают (ср>90°) устойчивость усту­ па. Из рис. IV.3 видно, что трос или штанга, работающие на рас­ тяжение, должны ориентироваться на поверхности ослабления под углом <р<90°.

натяжения, задаваемого конструкциям при установке.

Участок уступа подсечен трещиной, падающей в сторону вы­

107

обрушения Р =10 000 г. Принимаем расчетный коэффициент устой­ чивости Пр= 1,5.

Укрепление производится гибкими тросовыми тяжами, которые устанавливаются под углом е= 0° к горизонту (или ср=|3 = 50о к поверхности скольжения). Расчетная схема аналогична изображен­

F = Pg — k'nS _

со

10 000-0,78 -3 -200 = 1665 тс. 1,085

Исследуем функцию F = f(cр) в пределах 0 ^ ф ^ 9 0 °, что равно­ сильно изменению угла наклона тросовых тяжей к поверхности скольжения. Так как остальные величины остаются постоянными, будет меняться знаменатель приведенной выше формулы и сила F. Все расчеты сведем в таблицу (табл. IV. 3).

Построив график исследуемой функции (рис. IV. 5), зидим, что наименьшее значение силы ожидаемого давления горных пород со­ ответствует значениям 0°<ф<60° (или —40°<е< +10°).

Наиболее экономичным углом наклона конструкций, получен­ ным с учетом эффективности укрепления откоса, объема бурения и расхода материалов, является угол ф= 45° + р/2. Для большинст­ ва скальных и полускальных пород угол трения р' в ослабленной зоне составляет 20—30°. Это значение угла соответствует ф= 55+ -4“60°, т. е. находится вблизи области оптимальных значений для рассматриваемого случая (рис. IV.5).

108

При укреплении уступов штанговой крепью и гибкими тросо­ выми тяжами необходимо, чтобы они располагались в той же вертикальной плоскости, в которой действует усилие, сдвигающее блок. При применении штанг с предварительным напряжением от­

сами натяжение является обязательным); покрытие торкрет-бето­ ном всей поверхности откоса или между плитами.

109

Последний пункт относится к откосам, сложенным интенсивно выветривающимися породами. Если породы слабо подвержены вы­ ветриванию и осыпанию, достаточно устройства опорных плит не­ посредственно в местах установки конструкций.

Для производства работ по укреплению откоса необходимы приспособления и механизмы, позволяющие удержать на откосе рабочую платформу с людьми и оборудованием при высоте усту­ пов 12—24 м. Для этого можно использовать некоторые из суще­ ствующих горных и строительных машин. Для производства ра­ бот на высоте до 14 м могут быть рекомендованы самоходный по­ лок СП-12, гидроподъемник Ш2СВ-14 и гидроподъемник на базе автомобиля ЗИЛ-130 с максимальным вылетом люлек 9 м. Гидро­

«люлька над базой», имеют ограниченную сферу действия, причем высота подъема люльки по откосу не превышает 24 м. В условиях открытых горных работ необходимо ориентироваться на макси­ мальную высоту уступа 40—50 м. Этому требованию удовлетво­ ряет схема «люлька ниже базы», которая позволяет работать на откосах практически любой высоты.

Наиболее простым и надежным механизмом для этих целей яв­ ляется ручная лебедка. При работе на откосе она либо надежно закрепляется на берме, либо монтируется на достаточно тяжелой мобильной базе (например, на тракторе). Со стороны,обращенной к откосу, на раме лебедки укрепляется блок, через который пере­ брасывается тяговый трос. Люлька должна быть достаточно проч­ ной н мобильной и весить не более 0,5 тс (с двумя бурильщиками и оборудованием).

Работы по укреплению откосов штангами, а также торкретиро­ вание можно выполнять с легкой переносной люльки, сваренной из уголкового железа. Масса такой люльки не превышает 40 кг, так что ее легко можно передвигать по откосу из одного рабочего положения в другое. Для обеспечения безопасности рабочего, заня­ того на бурении скважин и установке штанг, пользуются спаса­ тельным поясом, прикрепленным с помощью каната к специаль­ ному анкеру на берме.

Подача цементно-песчаного раствора к забою скважины осуще­ ствляется несколькими способами. При использовании жидкого раствора, в случае нисходящих скважин, его можно свободно зали­ вать в скважины, а при густом цементно-песчаном тесте комья легко скатываются к забою под действием собственной тяжести, после чего тесто слегка утрамбовывается специальным досыльником. Для горизонтальных и восходящих скважин можно также ре­ комендовать сборный досыльник, которым удобно пользоваться при небольшом числе штанг.

Если объем работ по укреплению велик, целесообразно исполь-

110