книги из ГПНТБ / Кравченко Г.И. Облегченные крепи вертикальных выработок

с пластическим характером разрушения (песчанистые и углистые сланцы, известняки средней крепости и т. д.) tj= 0,7-n0,5 [77, 100]. Коэффициент размягчаемое™ при­ ближенно равен: для кварцевых песчаников 0,94—0,96; для глинистых сланцев 0,45—0,6; для известняков 0,15— 0,5 [77]. При проведении выработок в монолитных прочных необводненных породах можно применять в расчетах аСж-

Согласно [50, 65] радиус зоны неупругих деформа­ ций можно определить из

Осж и Ор — пределы прочности соответственно при одно­ осном сжатии и растяжении; г)— угол внутреннего тре­ ния; И — глубина ствола; у'— объемная масса породы; Р — реакция крепи; /?, — радиус выработки.

При установке крепи после образования зоны иеупругих деформаций следует определять предельные размеры

Ширина области неупругих деформаций вдолях от радиуса ствола в проходке, подсчитанная для некоторых условий И. Н. Кацауровым, приведена в табл. 20.

При пересечении стволами прочных, но трещинова­ тых пород, не склонных к пластическому течению и

ПО

ползучести, радиус зоны ослабления связей между структурными элементами массива в соответствии с [11] определяется из

(61)

где c — сцепление по контактам трещин.

Размер зоны ослабления определится из bL= R0с—R\- Физико-механические свойства разрушенных пород зоны неупругих деформаций определить сложно: куски различных размеров сохраняют между собой связи раз­ личной интенсивности. Сцепление по контактам крупных трещин составляет 10,5 кгс/см2, по контактам мелких — 58,1 кгс/см2, в то время как коэффициент сцепления в «куске» — 450 кгс/см2 при стсж = 2109 кгс/см2 [17]. По­ роды можно уподобить кладке из камней, плотно подогнанных друг к другу, уложенных без раствора (отсутствие сцепления) или на растворе определенной

марки (наличие сцепления).

При расчете конструкций из элементов, соединенных между собой, необходим учет прочности элементов и связей между ними (в данном случае — сцепления между отдельными блоками). Приближенно [аСш1 неко­

111

торых пород прикоптуриого массива можно принять в соответствии с данными табл. fj. Сцепление по контак­ там наиболее крупных трещин определяется эксперимен­ тами, при невозможности проведения последних его можно принять равным 2—3% прочности на срез образ­ цов соответствующих пород [17].

§ 2. Расчеты параметров штанговой крепи

Влияние штанговой крепи на критическую глубину можно оценить с помощью статистического метода рас­ чета [5, 83], суть которого в определении вероятности разрушения пород контура выработки, выражаемой уравнением

д/*

где Ф (Д )— интеграл Лапласа; А — характеристика безопасности, определяемая из выражения

(7ся,- и С70 — соответственно средние значения предела прочности пород и напряжений па контуре; асж —

— ст0 > 0 — условие неразрушимости породы на контуре

дисперсия предела прочности пород и действующих на­ пряжений; оСж и vg — коэффициенты вариации предела

прочности пород и действующих напряжений.

При постоянном напряжении на контуре выработки (т. е. при ц0=О) выражение (63) примет вид:

(64)

Имея значение коэффициента запаса прочности

( 65)

112

характеристику безопасности можно определить из вы­ ражения

Численное значение вероятности разрушения в дан­ ном методе рассматривается как доля периметра выра­ ботки, подвергающаяся разрушению (используется в нашем случае), либо как доля непрочных сооружений от общего их числа. Выработка считается прочной, если разрушения породы в ней не препятствуют ее эксплуа­ тации.

Пример 1. Определить критическую глубину, при которой мест­ ные нарушения периметра ствола круглого сечения с гладким кон­

статический закон распределения напряжений, что справедливо для непрочных пород при достигнутых глубинах разработки).

Критическая глубина для указанных условий определяется из преобразованной формулы (64)

Ф(Д) = 0 ,5 — 0,02 = 0,48.

По таблицам находим Д=2,07, тогда

4000

Ик = Т Т 7 ( ' - 2 >07 • 0,30) = 303 м.

2., о

Пример 2. Определить критическую глубину для выработки, пройденной в условиях предыдущего примера, при той же вероят­ ности разрушения, но с применением штанговой крепи с параметра­ ми: (=1,0 м; /i=l,5 м; Р = 4 тс.

Определяем прочность системы крепь — порода из (32)

сткп = 1,48(тсжо0’27 = 1,48400 ■2,660’27 = 760 кгс/см2.

Характеристика безопасности определится из условия Ф(Д) =0,5—

коэффициента напряжения, естественно, изменяется критическая глубина.

113

Использование штанг в данном случае не исключает необходимости применения средств предотвращения мелких вывалов (сетка, набрызгбетон).

Приведенные решения выполнены исходя из предпо­ сылок, что напряжения иа коигуре выработки постоянны и равны OQ= 2yH, а изменчивость прочности материала системы крепь — порода такая же, как для обычной породы. Основания для таких допущений следующие. Окружные напряжения после установки штанг оста­ ются практически неизменными почти на всей поверх­

обычно применяемого начального натяжения штанг в 3—4 тс крайне невелики (см. табл. 1) и быстро убывают по мере удаления от места приложения нагрузки (см. рис. 8). Область влияния этих напряжений практически не распространяется дальше площади, занимаемой опор­ ной плитой штанги. Породы в этом месте разрушаются в последнюю очередь; вначале разрушается поверхность между опорными плитками, т. е. там, где значения окружных напряжений при гладком контуре постоянны.

Изменчивость прочности всего заштангованного мас­ сива определили при испытаниях 36 моделей, из них 18

(12-15% ).

До критической глубины параметры штанговой крепи определяются из условия предотвращения случайных отслоений и вывалов. В породах средней устойчивости бока выработки под воздействием взрывных работ обычно разрушаются на глубину не более 0,3—0,5 м, поэтому штанги следует принимать длиной 0,5—0,7 м, а-расстояние между ними 0,8—1,5 м.

Крепление штангами до образования зоны неупругих деформаций, упрочняя породы приконтурной зоны, из­ меняет также и другие их свойства, что объясняется наличиемкорреляционной связи между последними почти у всех горных пород [78]. В частности, имеется такая связь и между пределом прочности и модулем Юнга у пород с примерно одинаковым минеральным составом, выражаемая соотношением

114

где ct\ — коэффициент пропорциональности, o,=2-f-6; например, для криворожских пород (мартиювых рого­ виков, железистых кварцитов, аспидных сланцев н т. д.) 0f —2,2 для пористых карбонатов 0-1= 3,75 [77, 78].

Изменение свойств пород вокруг выработки с по­ мощью штанг обычной длины охватывает приконтурную зону шириной равной, а иногда более ширины области неупругих деформаций.

Образование зоны неупругих деформаций при уста­ новке штанг сразу после выемки происходит в пределах системы крепь — порода, временное сопротивление кото­ рой о*нп и модуль упругости Еип, что сказывается и на размерах зоны неупругих деформаций.

Перемещения контура круглой выработки с учетом развития области неупругих деформацш] в соответствии с выражением (59) и проявления ползучести пород можно определить из формулы

где Е модуль упругости породы; А и т — постоянные ползучести, определяемые экспериментально [65].

Из выражений (59) и (69) видно, что имеются два производственных фактора, с помощью которых при обычных видах крепи можно влиять па процесс, фор­ мирования и конечные размеры области неупругих де­ формаций, а также на величину перемещений контура выработки — размеры ее поперечного сечения и реак­ ция крепи. Однако возможности использования этих факторов ограничены. Размеры выработки определяются требованиями производства и их изменение с целью уменьшения размеров области неупругих деформаций чаще всего не осуществимо. Увеличение несущей спо­ собности крепи тоже не всегда результативно, так как силы, действующие в массиве при выводе его из со­ стояния равновесия во время проходки, очень велики.

115

В соответствии с выражениями (32) и (68) имеется реальная возможность с помощью штанг существенно воздействовать па прочностные и упругие свойства си­ стемы крепь — порода, а следовательно, как видно из

(59)и (69), на величину области неупругих деформаций

иперемещений породного контура выработки.

Пример 3. Определить величину области неупругих деформации и перемещений контура для выработок, диаметр которых и исход­ ные условия поддержания приведены в табл. 21.

При расчетах характеристики ползучести Д и т принимали по

та ai, учитывающего влияние штанговой крепи на упругие свойства системы крепь — порода пока не установлено. Приближенные его значения приняты такими же, как и у обычной породы, т. е. заштангованный массив рассматривается как однородная порода с более высокими пределом прочности и модулем упругости, опреде­ ляемыми из (32) и (68).

Сравнивали бетонную крепь с широким диапазоном изменений реакции Р и штанговую со значениями коэффициента объемного напряжения, получаемыми при используемых сейчас паспортах крепления.

Из рис. 50, где представлены результаты расчетов, видно, что

116

пользовании бетонных крепей с очень высокой несущей способ­ ностью (кривые 2а п За), т. е. обычно применяемая бетонная крепь, устанавливаемая до или в процессе развития зоны неупругнх де­ формаций, хотя и испытывает большие нагрузки, но не оказывает значительного влияния на проявления горного давления. Возведе­ ние же крепи для снижения нагрузки на нее после образования об­ ласти неупругих деформаций не всегда возможно по соображениям производственным и техники безопасности.

(а) и перемещений контура выработки (б) от параметров штан­ говой и несущей способности бетонной крепей

Штанговая крепь в этом отношении, как показывают расчеты (см. рис. 50, кривые 1, 2 я 3), значительно более действенное сред­ ство влияния на проявления горного давления, чем бетонная с вы­ сокой несущей способностью: при использовании штанг перемещения контура выработки уменьшаются в 1,8 раза и более, что и под­ тверждается практикой [100].

Несмотря на приближенность метода расчета, не учитывающего последствия соединения штангами пород на контуре и внутри мас­ сива, он позволяет сопоставить возможности штанговой и бетонной крепей предотвращать разрушения и перемещения пород приконтурного массива. С помощью других известных нам методов такое сравнение выполнить нельзя.

Крепление штангами после формирования зоны не­ упругих деформаций возможно при ее размерах: сопо­ ставимых с длиной обычно применяемых штанг; значи­ тельных. При размерах этой зоны, не превосходящих технически приемлемой длины штанг, следует размещать их замки в ненарушенном массиве. Нагрузку на штанги можно определять с помощью формул, предложенных в [29] для схем с кольцевой

117

и двусторонней формами зоны иеупругих деформаций

где cpo — угол трения между породой и крепыо, в данном случае — между породой и кольцевой несущей конст­ рукцией из пород, закрепленных штангами, т. е. угол внутреннего трения пород в нарушенном состоянии; под­ считывается по формуле [65]

• « - т / - + - 3-

Пример 4. Размер области иеупругих деформаций мал. Ствол диаметром 8 м в проходке пересекает умеренно ослабленные глини­ стые сланцы с (Хеш =300; а р = 50 кгс/см2; у =2,5 т/м3. Глубина про­ ведения ствола 700 м. Выбрать параметры напрягающей штанговой крепи с железобетонными замками.

1. Ширина области иеупругих деформации определяется с мощью табл. 21

bL = b°LR1 = 0,32 • 4 = 1,28 м 1,3 м.

3. Расстояние между штангами определяется в зависимост размеров структурных блоков пород или с учетом минимального расстояния между трещинами. По практическим данным для этой цели применимо соотношение

I = 0,8bL = 0,8 • 1,3 = 1,04]« 1 м.

4. Прочность закрепления замка штанги

Рз = Ртах^эап = 1 , 8 8 ■1 • 2 = 3,76 Т С .

5. Определяем длину заделки стержня штанги в раствор по (80)

Приняв /3=20 см, а длину выступающего в выработку конца штанги /в = 10 см, получаем длину штанги

h = bL + 13 + /в = 1,3 + 0,2 + 0,1 = 1,6 м.

118

При значительных размерах области неупругих де­ формаций уже следует учитывать прочность системы крепь — порода, поскольку необходимое значение ее может быть обеспечено при различных параметрах штанговой крепи и, следовательно, при различных тех­ нико-экономических показателях.

Основа методики расчета, обеспечивающая техниче­ скую и экономическую оценку различных паспортов штанговой крепи,— это критериальное уравнение проч­ ности системы крепь — порода и зависимости несущей способности стенок ствола от длины, предварительного натяжения и частоты размещения штанг. Эти соотноше­ ния действительны практически во всем диапазоне параметров штанговой крепи и размеров зоны неупру­ гих деформаций, встречающихся в практике проведения стволов и других выработок.

Выбор паспорта крепления ствола при использовании перечисленных зависимое™ (см. рис. 31) сводится к следующему. Зная размеры зоны неупругих деформаций или вывалов, принимается длина штанг, при которой их замки размещаются либо за зоной возможного вывала (что, конечно, возможно и целесообразно при глубине вывала не свыше 1,5—2,0 м), либо в ее пределах. Прак­ тикой установлено, что расстояния между опорными плитами штанг можно определять из соотношения / = = (1,5ч-2)/п (где т — минимальный структурный размер разрушенной породы). Принимая за 100% несущую способность породного слоя без штанг, по номограмме судят о возможности использования нескольких пас­ портов.

. Например, при минимально допустимой длине штанг 1,4 м с технической точки зрения одинаково надежны паспорта крепления при одинаковом натяжении штанг

119