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

ленной штангами балки по сравнению с монолитной та­ кой же высоты с помощью коэффициента /<3:

В обоих случаях параметры штанговой крепи по ра­ ботам [85, 10] не влияют на несущую способность пород, что противоречит практическому опыту и результатам исследований.

Способы учета влияния штанг на породы Л. А. Панека и И. А. Юрченко также не всегда достаточно экс­ периментально или аналитически обоснованы. В извест­ ных методах расчета не учитываются время установки штанг (до, во время или после образования зоны неупру­ гих деформаций), их влияние на упругие свойства си­ стемы крепь — порода и конструкция, хотя механизм взаимодействия штанг различных типов с породами не­ одинаков.

Изложенное показывает, что указанные гипотезы хо­ тя и пригодны для использования при изучении работы штанговой крепи в вертикальных выработках, но нуж­ даются в существенных уточнениях представлений о взаимодействии штанг с породами. Естественно, надеж­ ная работа крепи в соответствии с любой из гипотез воз­ можна при использовании работоспособных штанг.

Набрызгбетонная крепь. Технология возведения, ха­ рактер взаимодействия с породами и физико-механиче­ ские свойства набрызгбетоиа предопределяют наиболее существенные особенности работы набрызгбетониой крепи.

Сведения о глубине проникновения набрызгбетоиа в трещины не точны, но в любом случае бетон соединяет отдельные участки поверхности обнажения и благодаря значительному сцеплению по контакту с породой соз­ дает несущую конструкцию крепь — порода. Кроме то­ го, при использовании' набрызгбетоиа с упругими кон­ стантами, близкими к таковым для породы, происходит перераспределение напряжений в контактном слое, сни­

портландцемента, глиноземистого цемента и гипса). При нанесении набрызгбетоиа, изготовленного на напрягаю­

10

Методы расчета собственно крепи выработок кругло­ го сечения при известных материале крепи, величине и характере нагрузки подробно изложены в работе [12]; некоторые положения представляют интерес и для рас­ чета крепи из набрызгбетона. При равномерно распре­ деленной нагрузке основной расчет толстостенной крепи (ko = 8o:D^0,03, где б — толщина крепи; D — диаметр ствола) производится на прочность. Проверка на устой­ чивость излишня, поскольку такая крепь теряет ее при нагрузках, намного превышающих допускаемую проч­ ность [76].

Примечательно, что начиная с некоторой толщины, дальнейшее ее увеличение не приводит к большому ро­ сту допускаемых внешних нагрузок, т. е. напряжения в крепи мало зависят от ее толщины, хотя и возрастают с уменьшением последней [12]. Поэтому невыгодны кре­ пи большой толщины из малопрочных материалов. Ис­ пользование в этом случае набрызгбетона (материала высокой прочности) целесообразно.

Прочность крепи большинство авторов определяют, исходя из условия, чтобы максимальные окружные на­ пряжения не превышали допускаемых для ее материа­ ла. Решения получены для ровного контура выработок. Имеются предложения по учету влияния неровностей на несущую способность крепи. Например, по Г. А. Крупенникову, толщина крепи

коэффициента должна определяться характером и раз­ мерами неровностей.

При неравномерной нагрузке крепь подвергается из­ гибу и воздействию связанных с ним растягивающих напряжений. Экспериментально [12] и теоретически [76] установлено, что величина изгибающих моментов в коль­

* Здесь и далее обозначения в формулах не всегда совпадают с применяемыми в рассматриваемых работах.

12

цевой крепи сравнительно невелика из-за наличия сцеп­ ления между крепыо и породой и действия касательных усилий породы на крепь. В работе [76] показано, что да­ же небольшие касательные напряжения (около 1 кгс/см2) обращают изгибающие моменты в нуль, соз­ дают условия для работы кольцевой крепи только на сжатие. Отсюда ясна эффективность использования в таких условиях мабрызгбетона, обладающего прочным контактом с породой.

При расчетах набрызгбетонной крепи, работающей в режиме взаимовлияющей деформации, основная труд­ ность заключается в определении нагрузок на крепь и смещений контура выработки. В работах [12, 50, 76] по­ казано, что результаты расчетов нагрузок на крепь и смещений контура и экспериментального их определе­ ния значительно расходятся в связи с тем, что в первом случае не учитывается влияние ползучести пород и крепи, времени установки крепи и других факторов на напряженно-деформированное состояние породного мас­ сива и крепи.

Работами [22, 50] показано, что учет этих факторов вносит существенные коррективы в результаты расчетов. Например, расчет бетонной крепи шахтных стволов по методике [76], учитывающей влияние ползучести пород и крепи, время ее ввода в работу, расстояние крепи от забоя, обеспечивает результаты, близкие к практическим данным.

Схемы расчета набрызгбетонной крепи, развиваемые Ж. С. Ержановым и другими [22], основаны на общей ме­ тодике расчета нагрузок на подземные конструкции, на­ капливаемых в процессе развития ползучести горных пород. Взаимодействие крепи и пород рассматривается как контактная задача либо двух упругоползучих, либо упругоползучей и упругой (быстротвердеющий набрызгбетон) сред, решаемая на базе теории ползучести горных пород. Анализом напряженно-деформированного состоя­ ния пород вокруг горизонтальных выработок выявлены важные закономерности влияния на их устойчивость технологических (неровности контура, время ввода кре­ пи в работу) и геологических (коэффициент бокового распора, соотношение сгС;к : оР) факторов, установлена возможность без ущерба для точности решения замены в расчетной схеме крепи реального контура с техноло­

13

гическими неровностями гладким, а также использова­ ния в расчетах вместо гладких некруговых породных контуров кругового контура.

Таким образом, в имеющихся расчетных схемах учте­ ны существенные особенности взаимодействия набрызгбетона с породами (сцепление, ползучесть пород, время вступления крепи в работу), другие же, не менее важ­ ные особенности (глубина породного слоя, упрочняемого набрызгбетоном, его физико-механические и реологиче­ ские свойства, влияние на напряженное состояние мас­ сива и др.) еще не изучены в достаточной степени и потому не используются.

Изложенное показывает большое влияние прочност­ ных и реологических свойств набрызгбетона, прочности его контакта с породой на успешность работы набрызгбетонной крепи.

Комбинированная крепь (сочетание штанговой с дру­ гими видами крепи) применяется все более широко, особенно комбинированная на основе штанг и иабрызгбетона. Здесь эффект перераспределения напряжений, упрочнения пород, их предохранения от воздействия аг­ рессивных факторов, создания системы крепь — порода проявляется соответственно в большей степени.

Схемы расчета комбинированной крепи разработаны недостаточно потому, что взаимодействие ее составляю­ щих с породами мало изучено. Это обстоятельство, как правильно отмечается в работе [22], часто является по­ водом для безосновательных утверждений об исключи­ тельных крепежных свойствах набрызгбетона и пре­ уменьшения роли штанг при объяснениях успешного применения комбинированной крепи.

§ 3. Условия возведения и эксплуатации крепи

Напряженно-деформированное состояние пород во­ круг выработки, механизм их взаимодействия с обыч­ ной крепью изучены и аналитически, и эксперименталь­ но [12, 23, 29].

Породы нетронутого массива, находящиеся в напря­ женном статическом равновесии, описываемом выраже­

14

после проведения вертикального ствола круглого по­ перечного сечения, вокруг него, по С. Г. Лехницкому, приходят в состояние

где ов, Ох и оу— вертикальное и горизонтальные напря­ жения; у — средняя объемная масса пород; Н — глуби­ на выработки; X— коэффициент бокового распора; а,- и од — горизонтальные, радиальные и нормальные напря­ жения; R\ и RT— радиус ствола и расстояние от его оси до рассматриваемой точки.

асимптотически приближаются к напряжению в нетрону­ том массиве. Прочные близлежащие к контуру ствола породы выдерживают напряженное состояние (2), (4),

(5) и (6) без пластических деформаций или разрушения. Упругие перемещения контура, не превышающие не­ скольких миллиметров даже в глубоких стволах [29], совершаются с большой скоростью задолго до возведе­ ния крепи.

Условие устойчивости стенок незакрепленного ствола

зависит от факторов, влияющих на прочностные свойст­ ва пород (ползучесть, трещиноватость, обводненность) и на их напряженное состояние (качество оконтуривания,

15

кретных условий (см. главу IV, § 1).

Породы малой прочности не выдерживают нового на­ пряженного состояния и деформируются или разру­ шаются, смещаясь в сторону ствола, до установления нового равновесного состояния, когда образуется зона неупругих деформаций. Особенности ее формирования в зависимости от физико-механических свойств пород, раз­ меров выработки, соотношений между асж и пределом длительной прочности пород приведены в [23, 50, 76

и ДР-].

Устойчивость обнажения (состояние незакрепленного участка выработки, при котором в течение необходимо­ го по условиям производства времени не происходит об­ рушения или сползания пород, а смещение обнаженной поверхности или ее части не превышает допустимого [87]) влияет на организацию работ по проходке и креп­ лению, выбор типа крепи, время ее установки, а также

.интенсивность нарастания и величину конечной нагруз­ ки на крепь. Определяется механической прочностью, трещиноватостью, ползучестью пород, обводненностью выработок, технологией их сооружения и т. д.

При очистной выемке устойчивость — это расстоя­ ние, при котором боковые породы обрушаются в выра­ ботанном пространстве позади очистного забоя без спе­ циально принятых мер для их обрушения. В проходче­ ской практике нет единого четко сформулированного по­ казателя устойчивости обнажения. По-видимому, оцени­ вая ее, целесообразно учитывать площадь и время обна­ жения горной породы выработкой. При обычных крепях высота обнаженного расстояния, не закрепленного по­ стоянной крепыо, составляет от 2 (при использовании опалубок) до 40 м (комплексы КС-5, КС-1М и другие, использующие щитовые оболочки).

Эта высота определяется не максимальной устойчи­ востью обнажения пород, а соображениями безопасно­ сти и равна 35—40 м. Едиными правилами безопасности движение бадей без направляющих при проходке допу­ скается на участке высотой не более 40 м. Такая высо­ та при существующей технологии проведения вертикаль­ ных выработок и есть один из показателей устойчи­ вости.

16

Среднемесячная скорость подвигания вертикальных стволов по Минтяжстрою СССР за 1968 г. составила: проходка — 53,2 м, углубка — 24,6 м при использовании совмещенной, а также параллельной и параллельно-щи­ товой схем проходки (облегченные крепи можно приме­ нять при этих же схемах). В двух последних случаях время после обнажения пород до возведения постоянной крепи может составлять около 0,5—2 месяцев. Это и есть время, необходимое для производства работ, в те­ чение которого должна сохраняться устойчивость обна­ жения. Оно вполне достаточно, поскольку при крепле­

значительных неупругих деформаций в стенках ствола на данной глубине в течение неопределенно долгого вре­ мени; допускают обнажения на высоту до 40 м и более без крепления;

средней устойчивости — малой и средней крепости ()= 1-1-6), устойчивые в течение одного-двух месяцев, но в последующем утрачивающие ее и склонные к выва­ лам; допускают обнажения высотой до 40 м, требуют крепления в отдельных местах;

неустойчивые — рыхлые, плывучие, сыпучие (f< 1) и прочные, но сильно трещиноватые, склонные к обруше­ нию за время от нескольких минут до нескольких дней

пород с промежуточными свойствами оно позволяет оце­ нить условия сооружения и эксплуатации крепи стволов, проходимых в различных горно-геологических условиях, а также обозначить перспективы применения облегчен­ ных крепей.

Г. А. Крупенниковым, Ю. А. Онищенко и другими установлено, что при достигнутых глубинах разработки стволы угольных месторождений на протяжении 85— 90% общей длины пересекают породы с устойчивыми обнажениями. Н. М. Покровский на основе анализа ма-

Ч» \Т»\л;V О- Э цАЛА

териалов обследовании состояния крепи примерно 500 стволов Донбасса отмечал, что нарушения крепи не связаны в большинстве случаев с проявлением горного давления. Это дало ему основание еще в 1947 г. заклю­ чить, что в устойчивых породах крепь стволов выпол­ няет лишь функции защиты пород от воздействия агрес­ сивных факторов [69]. В работе [30] приведен ряд при­ меров длительной эксплуатации вертикальных стволов и шурфов без крепи. Такие примеры известны из прак­ тики горнорудных предприятий, в частности железоруд­ ных, где протяженность участков, пересекающих поро­ ды с устойчивыми обнажениями, еще больше. Аналогич­ ное положение наблюдается в стволах Кривбасса, Руд­ ного Алтая, Западной Сибири, Урала [12, 27, 34].

В то же время в стволах встречаются участки, сло­ женные малопрочными породами, в которых образуются зоны неупругих деформаций и возникают нагрузки на крепь.

Нагрузки на крепь и размеры этих зон определяют параметры облегченных крепей. Можно выделить два аналитических и одно экспериментальное направление в подходе к их определению, получившие распростране­ ние. В работах первого направления для характеристи­ ки массива использовали принципы механики грунтов и представление о горном давлении как постоянной вели­ чине, воспринимаемой крепыо (работы М. М. Протодьяконова, П. М. Цимбаревича, М. П. Бродского и дру­ гих). Второе направление — работы, учитывающие взаи­ модействие пород и крепи, зависимость нагрузки на крепь от ее податливости, перемещений поверхности вы­ работки, способа проходки и технологии крепления (ра­ боты Г. Лабасса, В. Д. Слесарева, К. В. Руппенейта, Ф. А. Белаенко, И. Я. Бялера и других). Третье направ­ ление — работы, посвященные накоплению и использо­ ванию данных практики, наблюдений, изучения прояв­

Работами второго и третьего направлений установле­ но, что размеры области неупругих деформаций и на­ грузка на крепь ствола определяются его глубиной, раз­ мерами поперечного сечения, свойствами породы в мас­ сиве и нарушенном состоянии, временем возведения кре­

18

пи после обнажения породы, гидрогеологическими и гео­ логическими условиями. Нагрузка на крепь зависит так­ же и от размеров зоны неупругих деформаций, конст­ рукции крепи, характера ее взаимодействия с породами (режимы заданной нагрузки на крепь, заданной дефор­ мации крепи, взанмовлияющей деформации.крепи и мас­ сива, комбинированный [12, 76]).

Фактические средние нагрузки по периметру, по дан­

40—80%. По простиранию нагрузки значительно мень­ ше, чем вкрест простирания; радиальные смещения со­ ставляют 5—10 мм. В неустойчивых породах нагрузки достигают 10—25 кгс/см2, т. е. сопоставимы с весом столба пород до поверхности. Нагрузки интенсивно на­ растают в первые 3—6 месяцев, причем около 60% перемещений пород происходят за первый месяц [12, 23].

Рельеф поверхности стен ствола, размеры вывалов, неровностей определяют длину и сетку размещения штанг при малых размерах зоны неупругих деформаций,

превышает 10% общей глубины ствола, средняя высота вывалов 7,5 м, глубина — 1,65 м, максимальная глубина 3,0—4,5 м. Вывалы приурочены к слабым породам (слан­ цы, глина, мергель, уголь). В стволах горнорудных ме­ сторождений также встречаются вывалы (рис. 4), толь­ ко их число и размеры значительно меньше, чем в усло­ виях осадочных пород [34]. Объем вывалов и переборов достигает 10—15%), а иногда, например в Горной Шории, 15—21%) объема вынимаемой породы [34, 88].

Поверхность стенок ствола, по данным Ю. А. Они­ щенко, состоит из ровных участков (20—30%о общей площади) и чередующихся выступов и впадин (70— 80%)); средняя глубина впадин 20 см, угол наклона их плоскостей к вертикали 20°, характер поверхности с глу­ биной практически не меняется. Применяя контурное взрывание, удается получить более ровную поверхность

(см. главу V, § 1).

Распределение напряжений [см. (3) и (4)] относится к идеально гладкому круглому контуру. Неровности кон-

19