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

Тогда компоненты напряжений от штанги в массиве, окружающем выработку круглого очертания, в криволи­ нейной системе координат (р, 0) найдутся по формулам:

фициепты, зависящие от координат рассматриваемой точки, отношения длины штанги к радиусу выработки и коэффициента Пуассона горной породы. Полные вы-

6

Рис. 13. Поле напряжений вокруг штанги в случае плоской (а) и круглой (б) ограничивающих поверхностей

ражения этих коэффициентов не приводятся в связи с их громоздкостью.

На основании численных расчетов, выполненных на ЭВМ М-220, установлено различие в картинах распреде­ ления напряжений вокруг штанги в выработках с пло­ ской и круглой ограничивающей поверхностью.

На рис. 13 представлены линии равных значений для коэффициентов Кр- В случае плоской (рис. 13, а) огра­

40

ничивающей поверхности влияния одной штанги распро­ страняется в пределах конуса с углом при вершине, рас­ положенной в центре выработки, равным 40° [104], а в случае круглой ограничивающей поверхности — 60°, т. е. в круглой выработке (рис. 13, б) область влияния штанг несколько расширяется.

а

Рис. 14. Влияние h/R, на размеры поля напряжении вокруг штанги (а) и величину /<р (б)

С уменьшением величины h/Ri (отношения длины штанги к радиусу выработки) область сжимающих на­ пряжений уменьшается, хотя вблизи штанги напряже­ ния возрастают по абсолютной величине (рис. 14, а), т. е. в выработках круглого очертания поле напряжений между штангами более равномерное, а использование выражений (18) и (19) для подсчета напряжений идет в запас устойчивости при последующей оценке влияния

41

действия ограничивается углом 30° от направления оси штанг (рис. 14, б).

Из рис. 14 видно также, что влияние соотношения h/Ri на поле напряжений в прпконтурной области мас­ сива между штангами практически исчезает при угле 0, равном 8—12°. С уменьшением коэффициента Пуассона горных пород область сжимающих напряжений увеличи-

Рнс. 15. Влияние коэффициента Пуассона на поле напряжений вокруг штанги:

a — j i=0,I5; б — д=0,*15

вается (рис. 15), т. е. в прочных породах с помощью штанг можно создать более равномерное поле напря­ жений.

Таким образом, породы заштангованного приконтурного слоя вертикальной выработки, находящиеся в зоне влияния штанг, испытывают объемное сжатие. При обычно применяемых паспортах крепления штангами по­ ле напряжений, создаваемое штангами, крайне неравно­ мерно, особенно в прикоитуриой части. С увеличением отношения длины штанги к радиусу выработки и умень­ шением коэффициента Пуассона горных пород область воздействия штанг на породы возрастает.

За счет изменения сетки размещения штанг можно создать более равномернее поле напряжений как в цен­ тральной, так и в крайних прилегающих к замку и опорной плите частях заштангованного породного слоя.

42

И, наконец, за счет изменения предварительного натя­ жения штанг возможно существенное изменение соот­ ношений между <Тц, Ог0 и его-

§ 3. Сущность взаимодействия штанг и породы

Качественная и количественная оценка влияния штанг различных типов на физико-механические свой­ ства пород, непосредственно их окружающих, и всей системы крепь — порода — условие совершенствования методов расчета параметров штанговой крепи.

Напрягающие штанги сравнительно жестко соеди­ няют между собой участки породного массива с различ­ ными скоростью и величиной перемещений, создают со­ стояние объемного сжатия для пород в зоне влияния штанг.

Известно, что уже простое ограничение поперечной деформации при отсутствии бокового давления не­ сколько повышает прочность твердых тел, в том числе горных пород и бетона («эффект обоймы», издавна ис­ пользуемый для повышения прочности строительных материалов помещением их в оболочку [53]). При объемном сжатии существенно изменяются условия воз­ никновения и развития микроразрушений, предшест­ вующих полному разрушению: возрастает площадь кон­ тактов зерен, породы уплотняются, что препятствует возникновению и расширению микротрещин при воздей­ ствии разрушающих напряжений.

При современной изученности процессов, формирую­ щих свойства горных пород, оценить теоретически влия­

можно. Поэтому очень важны экспериментальные дан­ ные об особенностях поведения пород при объемном сжатии, имеющие значение при использовании штанг.

Упрочняющее влияние бокового давления на горные породы при их нагружении в условиях объемного сжа­ тия довольно велико: предел прочности на сжатие воз­

ным, повысить ее таким путем не удается [58].

43

Характерно, что с ростом прочности пород упрочняю­ щее влияние бокового давления проявляется при более высоких его значениях.

Из графиков (рис. 16), построенных по данным [78,

Рис. 16. Графики зависимости относительного упрочнения пород

одноосном сжатии а Сж, равном кгс/см2:

увеличением бокового давления возрастает особенно

уже при давлении 140 кгс/см2. Применительно к штан­ гам, с помощью которых при закреплении вертикальной выработки воссоздается аналогия боковому давлению при испытаниях образцов, это означает, что, по-види­

44

мому, в слабых породах начальное натяжение следует принимать меньшей величины, чем в прочных.

Важная особенность поведения пород при объемном

Рис. 17. Диаграммы деформирования образцов в условиях всестороннего сжатия по результатам опытов:

Рис. 18. Зависимость модуля упругости (а) и модуля объемного сжатия (б) от всестороннего давления:

/ — д и а б а з ; 2 — известняк; 3 — базальт; 4 — гранит

И, наконец, при возрастании бокового давления до 500—1000 кгс/см2 можно повысить в 2—3 раза модуль Юнга, в 3—4 раза — коэффициент всестороннего сжа­ тия некоторых горных пород (рис. 18) [77, 78].

45

Аналогичные изменения свойств при объемном сжа­ тии наблюдаются и у бетона. Способность материалов значительно повышать жесткость и прочность в условиях объемного сжатия в последние 6—7 лет широко исполь­ зуется в строительстве при изготовлении ДЕухосно и трехосно или объемно предварительно напряженных тру-

лях [53]. На рис. 19 наглядно показана последователь­ ность реализации полезных особенностей поведения материала в условиях объемного сжатия (повышение прочности) и преодоления вредных (значительная де­ формируемость до разрушения из-за сравнительно ма­ лого увеличения модуля Юнга при двухосном сжатии). Модуль деформации трубобетонных и спирально арми­ рованных элементов (см. рис. 19, а и б) мало зависит от предварительного напряжения и практически равен модулю деформации бетонных образцов (для высоко­ прочных бетонов 400—500 тыс. кгс/см2) .

Снижение деформатнвности может быть достигнуто созданием объемного напряженного состояния за счет продольного армирования (модуль деформации в этом случае равен 700—800 тыс. кгс/см2), т. е. имеется реаль­

46

Установлено, что при сжатии материалов не равно­ мерно распределенными, а сосредоточенными нагруз­ ками (что как раз и имеет место при креплении на­ прягающими штангами) также удается улучшить их прочностные и упругие свойства, хотя и в меньшей сте­ пени.

Например, прочностные и упругие свойства пород приконтурного слоя, сжатых с помощью цилиндриче-

порода не равномерно распределенными по внешней н внутренней поверхностям, а попарно сосредоточенными силами, одна из которых приложена к контуру выра­ ботки, а другая — внутри породного массива.

Выше установлено, что при обычных паспортах креп­ ления в средней части заштангованного слоя напря­ жения сжатия агз более или менее равномерны, а их концентрация наблюдается у замка и опорной плиты. Следовательно, средняя часть слоя упрочнена более или менее равномерно, а породы у опорной плиты и замка — неравномерно; здесь есть участки, находящиеся в зоне

не перекрываются, приконтуриый массив, по существу, состоит из упрочненных блоков (пород, находящихся в зоне сжимающего воздействия штанг), размещенных среди пород, находящихся вне зоны влияния -штанг и прочно с ними соединенных. Даже в этом предельном случае упругие и физико-механические характеристики

47

породного массива повышаются, как установлено опы­ том применения объемно-напряженных конструкций и штанговой крепи.

Контактные штанги, помимо соединения участков по­ родного массива с различными скоростью и величиной перемещений, формируют так называемые ядра жестко­ сти. Отдельные блоки и куски породы довольно прочно соединяются между собой: сцепление между породой и раствором достигает 20—30 кгс/см2, а между армату­ рой и раствором 50—60 кгс/см2 [80].

Механизм упрочнения в общем таков же, как и при напрягающих штангах: упрочненные блоки пород со­ единяются либо друг с другом (в трещиноватых породах при использовании высоконапориого оборудования), ли­ бо с неупрочиеиными породами.

Прочность системы крепь — порода зависит от марки бетона и его сцепления с породой и стержнем. В этом смысле упрочняющее влияние железобетонных штанг можно уподобить влиянию цементного раствора в буто­ вой или кирпичной кладке. Известно, например, что для кладки из природных камней допускаемые расчетные

Очевидно, несколько более высокого результата по упрочнению трещиноватых пород следует ожидать при использовании контактных штанг.

Изменения прочностных и упругих свойств пород­ ного массива в случаях, когда зоны влияния соседних штанг не перекрываются, хорошо иллюстрируются ре­ зультатами испытаний образцов слоистой породы на сжатие поперек слоистости. Предел прочности такого

48

образца теоретически определяется прочностью наибо­ лее слабого прослойка. Фактически он ее превышает, так как более прочные слои удерживают от разрушения (от раскалывания) слабые. Кроме того, в таких образ­ цах уменьшаются соотношения между высотой слабых прослойков и шириной их основания, что также спо­ собствует повышению предела прочности образца. Есте­ ственно, превышение общего предела прочности над осж слабого слоя зависит от прочности, мощности и взаимо­ расположения слабых и прочных слоев [54, 77]. Меха­ низм упрочнения приконтуриых пород штангами любого типа аналогичен изложенному. Упрочнение некоторых пород сопровождается увеличением модуля их упругости

(см. § 2 главы IV).

Закрепление штанги по всей длине скважины, частич­ ная цементация и соединение между собой участков массива, имеющих различную скорость перемещения к центру выработки, существенно влияют на процесс не­ упругого деформирования пород и образования зоны иеупругих деформаций. Известно, что только за счет цементации скальной породы удается повысить модуль ее деформации в 1,5—1,7 раза [81]. В частности, по данным исследования работы штанговой крепи, выпол­ ненного в шахтных условиях Н. А. Вагиным, железо­ бетонные штанги обеспечивают более значительное сни­ жение деформаций, чем напрягающие.

Реальные условия работы системы напрягающие штанги-—порода далеко не в полной мере отвечают условиям работы материалов в стадиях «эффекта обоймы» и предварительного сжатия. Положение ана­ логично и при использовании контактных штанг, а так­ же комбинированных, сочетающих особенности взаимо­ действия с породами штанг двух других типов.

Теоретическое решение задачи о связи между пара­ метрами и прочностью системы шганги — порода весьма сложно. Даже для более простых и давно используемых систем (кирпичная или каменная кладка, бетон и т. п.) такие решения не найдены и используются эмпириче­ ские соотношения. Представляется, что в настоящее время наиболее целесообразно применять эксперимен­ тальные исследования для выявления количественных зависимостей и создания надежных расчетных методов параметров штанговой крепи.

49