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

тура приводят к дополнительной концентрации напря­ жений, причем места выступов являются областью недонапряжений, а впадин — перенапряжений. Дополни­ тельная концентрация напряжений в местах вывалов и

Рис. 4. Характерные конфигурации и размеры вывалов в ство­ лах Донбасса (а) и Горной Шорни (б) (зона вывалов заштри­ хована)

недоборов зависит от их размеров и числа, глубины рас­ положения выработки и влияет на ее устойчивость [5].

Естественная трещиноватость пород в приконтурной зоне проводимой выработки дополняется искусственной, вызываемой статическими и динамическими нагрузками

20

Гидрогеологические условия. Вертикальные выработ­ ки редко сооружают в условиях незначительного при­ тока или полного отсутствия воды. Притоки изменяются от 0,5 до 50 м3/ч и более [27, 88 и др.].

После обнажения на породы воздействуют атмосфе­ ра, подземные воды, при этом обводняются пласты, ра­ нее изолированные от водоносных горизонтов. Шахтные воды, особенно агрессивные, разрушают и породу, и крепь. Часть пород (глина, глинистые сланцы, аргилли­

увлажнении теряют прочность, например глинистые пес­ чаники в 1,5—2,2 раза, известняки — в 2—2,6 раза, квар­ цевые песчаники — в 1,1 раза [12,77], другие — раство­ ряются (галоиды, ангидрит, гипс, в меньшей степени — известняки и доломиты), особенно при циркуляции ра­ створов кислот. Вода вымывает мягкие минеральные ча­ стицы и растворенные вещества из пород, что увеличи­ вает пористость и снижает прочность и устойчивость их.

Указанные изменения свойств и состояния прояв­ ляются в наибольшей степени и в малые сроки в поро­ дах неустойчивых и средней устойчивости. Отсюда по­ нятна большая, часто недооцениваемая роль изоляцион­ ной функции набрызгбетонного покрытия.

Если разрушения крепи под воздействием горного давления редки даже в тяжелых горно-геологических условиях, то от воздействия агрессивных шахтных вод они сравнительно часты в различных районах страны (Кривбасс, Донбасс, Кузбасс, Горная Шорня и др.). Аварийное состояние стволов вследствие коррозии бето­ на отмечается многими авторами [7, 27, 33, 71]. Разруша­ ется и участок крепи, где происходит фильтрация вод через бетон, и крепь всего ствола, и армировка.

Изложенное показывает: при определении области применения, выборе материалов, расчетах параметров и разработке технологии возведения облегченных крепей учет агрессивного влияния шахтных вод необходим.

21

§ 4. Требования к крепи и задачи исследований

Способы удовлетворения технических требований к крепи в значительной мере определяются характером ее взаимодействия с породами, окружающими выработку.

ная — это конструкции, поддерживающие породы вокруг выработки. При использовании штанг и набрызгбетона породы вовлекаются в работу системы крепь — порода в значительно большей степени, чем при обычных крепях.

Это различие в сущности работы обычных и облег­ ченных крепей имеет принципиальное значение, нм объ­ ясняются значительные достоинства штанговой и набрызгбетонной крепей. Исследование совместной работы системы крепь — порода, свойств ее составляющих, осо­ бенностей поведения в различных горно-геологических условиях необходимы для успешного использования, соз­ дания обоснованных методов расчета, определения и расширения области применения облегченных крепей в вертикальных выработках. Такие данные, кроме того,— основа для дальнейшего развития теории облегченных крепей.

Более просто решается вопрос о соответствии облег­ ченных крепей производственным требованиям. Их преи­ мущества перед обычными крепями весьма существенны, многократно подтверждены практикой и общеизвестны. Технология сооружения вертикальных выработок 'обыч­ ным и специальными способами при использовании обычных и облегченных крепей в основном одинакова. Однако в случае применения штанг и набрызгбетона появляются существенные изменения в технологии от­ дельных видов работ (возведение временной и постоян­ ной крепи, армирование), повышаются требования к ка­ честву других (буровзрывные работы).

Специфика сооружения и эксплуатации вертикаль­ ной выработки, стесненные условия при возведении кре­ пи, наличие притоков воды и трудность доступа к от­ дельным участкам ствола осложняют организацию ра­ бот по креплению и контролю качества крепи и состоя­ ния системы крепь — порода.

Экономические требования предполагают минималь­ ные затраты на изготовление и эксплуатацию крепи.

22

Применительно к стволам обеспечение долговечности — задача не менее важная, чем обеспечение ее первона­ чальной прочности, ремонт ствола связан с сокращением или прекращением выдачи полезного ископаемого.

При сравнительной оценке различные крепей для выбора наиболее рациональной из них важное значение имеют не только их технико-экономические показатели на данном этапе, но и потенциальные возможности их повышения за счет увеличения точности расчета крепи на основе исследований ее работы, совершенствования конструкции и технологии возведения, применения про­ грессивных форм организации работы и т. д.

Таким образом, успешное применение штанговой и набрызгбетонной крепей при всей простоте их конструк­ ций связано с необходимостью решения ряда научных и технических задач для реализации присущих этим крепям достоинств.

Глава II

ШТАНГОВАЯ КРЕПЬ

§ 1. Работоспособность штанг

Вертикальные выработки, обычно рассчитанные на длительный срок службы, целесообразно крепить штан­ гами с замками простой конструкции, быстро восприни­ мающими нагрузку после установки. Штанги должны обладать: высоким сопротивлением на разрыв и срез; стойкостью к воздействиям взрывных работ и агрессив­ ных факторов; высокой прочностью закрепления в поро­ дах различной крепости и степени обводнения. Много­ численные исследования работы штанг позволяют оце­ нить их соответствие основным из перечисленных требо­ ваний.

Прочность закрепления штанг или их замков ме­ няется в зависимости от типа замка 1, 2 и 3, 4 (рис. 5), арматуры 1, 2, длины заделки арматуры в бетон 7, 8, материала стержня и крепости породы 3, 4 и 5, 6, сцеп­ ления стержня и породы с бетоном, соотношения между диаметрами скважины и штанги и некоторых других, менее важных факторов. Применяя бетон, можно обес-

23

печить высокую несущую способность штанг любого типа. Так, на руднике «Темир-Тау» в породах с f= 44-6 и /=154-16 были установлены и испытаны штанги: кон­ тактные железобетонные с гладким стержнем диаметром

О20 40 й, мм

выдерживали усилие 5 тс, равное несущей способности трубчатого стержня [72]. При испытаниях контактных железобетонных штанг на Высокогорском руднике, уста­ навливаемых в породах и рудах с /=94-14 (сиениты, из­ вестняки, магнетиты), не наблюдалось сдвижения ни бе­ тона, ни арматуры, а происходил разрыв стержня или прядей троса при нагрузках 4—14 тс.

При использовании полимербетона на основе эпо­ ксидной смолы ЭД-5 прочность закрепления замка, рав­

24

ная прочности стержня периодического профиля диамет­ ром 16 и 20 мм на разрыв, обеспечивается при длине замка соответственно 150 и 250 мм [94]. Рецептура со­ ставов, технология установки штанг и расчета парамет­ ров замка, обеспечивающие получение названных пока­ зателей, приведены в работах [80, 94, 100].

Прочность пород не влияет на прочность закрепления контактных железобетонных, комбинированных или на­ прягающих штанг с железобетонными замками: при их вытягивании бетон остается неподвижным, а извле­ кается арматура. Надежное сцепление арматуры с бето­ ном обеспечивают за счет применения периодической арматуры, выбора правильной длины заделки ее в бетон /3, оптимального состава бетона [80].

Ввод в работу системы штанги — порода ускоряют применением напрягающих штанг с распорными [100], бетонными (с ускорителями твердения) или полимербетонными замками, контактных винтовых, комбини­ рованных штанг (см. рис. 6, в и г) [94].

Сейчас наиболее эффективны сталеполимерные штан­ ги: при /□= 150 мм уже через 1 ч после установки проч­ ность закрепления стержней диаметром 20 мм состав­ ляет 15 т [94]. Комбинированные штанги имеют высо­ кую прочность закрепления сразу же после установки при наличии соответствующих замка и несущей способ­ ности стержня; прочно закрепляются и сразу после уста­ новки воспринимают нагрузку винтовые штанги.

Сведения о влиянии взрывных работ • на прочность закрепления клинощелевых и распорных штанг противо­ речивы [19, 100], относительно железобетонных сведения более определенные. Взрывные работы, проводимые на

снижают, а иногда даже на 5—6% повышают прочность закрепления штанг. Взрывные работы, проводимые в период интенсивного твердения бетона (от 3 до 7 ч для бетонов на глиноземистом цементе) несколько снижают прочность закрепления штанг в первоначальный период. После окончания твердения бетона взрывные работы не влияют на этот показатель. Изложенное справедливо и для небольших и для массовых взрывов [80, 100].

25

Установка железобетонных штанг в обводненных по­ родах обеспечивается при использовании соответствую­ щих оборудования и материалов, технологии работ (шприцы, глиноземистый цемент, жесткие бетоны соста­ ва 1:1,5—1:2, B/U = 0,25-f-0,34). При этом прочность закрепления железобетонных штанг в сухих и обводнен­ ных (с притоком до 0,01—0,04 л/с) скважинах уже че­ рез 3 сут практически одинакова [80].

Противокоррозионная стойкость штанг достигается применением цементов и ускорителей твердения, соот­ ветствующих виду агрессии. Вопросы контроля за рабо­ той штанг и системой штанги — порода освещены в ра­ ботах [19, 100].

§ 2. Анализ напряженного состояния закрепленного напрягающими штангами приконтурного массива

Величина, вид и распределение вызываемых штанга­ ми в приконтурном массиве напряжений, соотношение между ними и напряжениями вокруг выработки влияют

вокруг закрепленного штангами ствола (а) и на­ пряжений в цилиндрических координатах от натя­ жения штанги (б)

26

на работу системы штанги — порода. При анализе ис­ ходные значения величин, определяющих напряженное состояние приконтурного массива, приняты в диапазоне наиболее широко встречающихся в практике шахтного строительства [47].

Для изучения распределения напряжений вокруг вы­ работки и вокруг штанг использованы решения, осно­ ванные на теории упругости [18, 52, 73 и др.]. Поле на­

как система двух одинаковых по величине и противопо­ ложно направленных сил, приложенных на поверхности линейно-деформируемого полупространства (опорная плитка) и внутри него (замок штанги).

Напряжения в точке М на глубине z', вызываемые действием силы Р, приложенной на внешней грани полубесконечного сплошного тела (т. е. имеющего безгра­ ничное простирание в глубину и, ширину), по Буссинеску определяются следующими выражениями:

где Р — величина натяжения штанги, кгс;

27

z 'V

Кгы =

(Kr'* + *'S)B

(.i — коэффициент Пуассона; значения остальных входя­ щих в формулы величин ясны из рис. 7, б.

Составляющие напряжении для той же точки, вызы­ ваемые сосредоточенной силой Р, приложенной на глу­ бине h и направленной перпендикулярно плоскости, ограничивающей линейно деформируемое полупростран­ ство, определяются по Р. Миндлину [52]:

зависящие от координат рассматриваемой точки и коэф­ фициента поперечной деформации;

28

Таким образом, вокруг вертикальной выработки, за­ крепленной штангами, имеются напряжения ав, аг и од, определяемые по формулам (2), (4), (5) и напряжения o2l, art, Oet, aZl, 0Г„ и 002, вызываемые натяжением штанги (см. рис. 7). Из шести последних компонентов напряжений наибольшее значение имеют о2, и 022, сжи­ мающие почти во всей области влияния штанги, допол­ няя радиальную компоненту а,-, убывающую до нуля на контуре выработки, они создают сложное напряженное состояние для пород, находящихся в области влияния штанг, приближающееся к объемному сжатию. Напря­ жения о 2, по абсолютной величине значительно превосходят напряжения оу, и сге,, что видно из табл. I, в ко-

29