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

§ 4. Влияние штанг на прочность системы штанги — породы

Напрягающие штанги. Цель исследования—воспро­ изведение на моделях близлежащего к стволу цилиндри­ ческого слоя, закрепление его штанговой крепыо с раз­ личными параметрами, нагружение всесторонней равно­ мерно распределенной нагрузкой до разрушения и срав­ нение его несущей способности с несущей способностью такого же слоя, не закрепленного штангами [72]. При подготовке эксперимента, подборе эквивалентных мате­ риалов, составлении методики и выборе схемы исследо­ вания руководствовались методическими положениями ВНИМИ [54] и следующими соображениями. Учитывая приуроченность проявлений горного давления в верти­ кальных выработках к участкам, сложенным малопроч­ ными породами, предел прочности эквивалентного мате­ риала принимали 5—7 кгс/см2, что при масштабе моде­ лирования 1:20 соответствовало пределу прочности породы на сжатие 140—200 кгс/см2.

При подборе материала и определении предваритель­ ного натяжения использовали соотношения:

объемная масса материала модели и натуры; — ■—ли- Ли

нейный масштаб модели.

Отношение — принимали равным 0,7. Учитывая раз-

У»

меры возможных вывалов и отслоений, штанги приняли длиной 1 и 2 м, сетки размещения — 1 X 1 , 2 X 2 и 3 X 3 м.

Предварительное натяжение принимали равным 4 тс (применяемое на практике) и 8 тс (легко осуществимое в производственных условиях при современных оборудо­ вании, прочности стержней и закреплении замков штанг). Деформируемость штанг осуществляли с помощью упру­ гого элемента — пружины, использовавшейся для измере­ ния первоначального натяжения штанг и регистрации его изменений.

50

Выбор схемы исследования и способа загружения модели определялся следующим образом. При любой разновидности физического моделирования, в том числе и при исследованиях на моделях методом эквивалентных

Рис. 21. Схема нагружения и напряженное состоя­ ние модели (а) и натуры (6)

материалов, необходимо применять установки, сохраняю­ щие в той или иной степени физическую природу изучае­ мых явлений.

На рис. 21 приведены две возможные схемы прове­ дения опытов и зависимости, характеризующие получае­ мые при этом напряженные состояния. Из сопоставления зависимостей видно, что напряженные состояния моде­ лей, создаваемые в первом случае боковым давлением р

(рис. 21,а)

51

и весом вышележащих пород в натуре (рис. 21,6)

V

совершенно однотипны, т. е. физическая природа явле­ ния одинакова в обоих случаях.

Для обеспечения возможности установки штанги, соз­ дания начального натяжения нужен диаметр ствола мо­ дели не менее 25—30 см, что при масштабе 1:20 имити­

рует выработку диаметром 5—6 м. Расчеты показывают, что во втором случае при таком диаметре ствола, исполь­ зовании эквивалентного материала с асж = 5ч-7 кгс/см2, объемной массе у —1,8 г/см3 и коэффициенте бокового распора Л. = 0,4 высота модели без пригрузки, необходи­ мая для разрушения материала на контуре выработки без штанг, составляет 35—50 м, а со штангами — больше на величину, которую и следовало определить. Осуществ­ ление такого эксперимента в лабораторных условиях не­ возможно, создание пригрузки также связано с больши­

52,

ми техническими трудностями. Поэтому применили первую схему, как более легко осуществимую технически.

Установка (рис. 22) состоит из двух моделей ствола, соединенных с аккумулятором давления и ручным насо­ сом. С помощью последнего водой заполняется аккуму­ лятор давления, затем вентиль 3 перекрывается и откры-

Рнс. 23. Модель шахтного ствола:

ваются вентили 1 и 2, создавая равномерное давление на породные стенки. Одновременно испытывали неза­ крепленную и закрепленную штангами модели, влияние штанг различных параметров определялось различиями в нагрузках, разрушавших модели.

Модель ствола (рис. 23) позволяет создать нагруже­ ние слоя эквивалентного материала равномерно распре­ деленной нагрузкой нагнетанием воды в цилиндрическую полость между корпусом и резиновым цилиндром, изоли­ рующим эквивалентный материал от воды.

После просушивания моделей создавали начальное натяжение штанг с помощью заранее протарированных пружин, тарировочных втулок, замков и опорных плит (рис. 24). Перемещения стенок замеряли четырьмя индих

53.

каторамн, размещаемыми в четырех точках по высоте модели в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. После достижения сопоставимости результатов испыта­ ний моделей без штанг, изготовленных из одного и того

Рис. 24. Модели штанг с деталями для создания предвари­ тельного натяжения:

ка; 7 — опорная плита

же материала (разность разрушающих внешних давле­ ний 12—15%), провели эксперименты.

Всего испытали 36 моделей. Изучили влияние на их несущую способность длины, начального натяжения и плотности размещения штанг. Общая площадь поверх­ ности модели, закрепляемой штангами, составила 5220 см2. Смещения стенок моделей без штанг до их разрушения в подавляющем большинстве были меньше, чем у моделей со штангами, во-первых, из-за известной нарушенное™ породы отверстиями для штанг и, во-вто­

54

рых, из-за более высокой деформируемости заштангованиых пород.

Из рис. 25 видно заметное влияние плотности штанг на несущую способность стенок модели (за 100% при­ нята несущая способность моделей без штанг): при уве­

Рис. 25. Графики зависимости несущей способности р от рас­ стояния между штангами / (а), длины штанг h (б), натяжения штанг q (в)

длине штанг 5 см. Зависимость несущей способности от плотности штанг линейна.

Существенны различия в характере разрушения мо­ делей со штангами и без штанг. С повышением давления в гидравлической сети в моделях без штанг появляются трещины, осыпание материала, вывалы крупных кусков. Давление падает до нуля и не возрастает при нагнета­ нии воды свыше 0,2 кгс/см2. Форма и размеры вывалов на моделях аналогичны форме и размерам вывалов, воз­ никающих в шахтных условиях.

Из рис. 26 видно, что характер разрушения моделей без штанг и со штангами, установленными по сетке 3x3 м, почти одинаков, материал и в том и в другом случае разрушается кусками, только в модели со штан­ гами эти куски несколько меньших размеров и удержи­ ваются от обрушения внутрь выработки штангами; отли­ чия в несущей способности не более 10—12%.

С увеличением плотности штанг возрастает несущая способность закрепляемого ими слоя, меняется характер разрушения модели: оно протекает в две стадии. В нача­ ле перемещения породного контура сопровождаются сни­

55

ны. С увеличением длины штанг несущая способность возрастает, особенно при сгущенной сетке расположения штанг (см. рис. 25): при установке 140 штанг на глу­ бину 5 и 10 см несущая способность модели возрастает соответственно па 21 и 71% по сравнению с несущей способностью модели без штанг. Значительно влияние и начального натяжения на несущую способность моделей: при сетке размещения штанг 10X10 см увеличение их длины с 5 до 10 см дает прирост несущей способности со 110 до 132% при начальном натяжении 500 гс, уве­

крепких трещиноватых породах, может оказаться выгод­ нее применять штанги с увеличенным начальным натя­ жением, чем увеличивать их длину.

Все зависимости, приведенные на рис. 25, как отме­ чалось, получены для слабых пород. По аналогии с ре­ зультатами опытов по всестороннему сжатию пород мож­ но полагать, что для прочных пород характер зависимо­ стей сохранится, по абсолютные количественные показа­ тели увеличатся, несмотря на уменьшение упрочняющего воздействия штанг с возрастанием прочности пород, так как их сжатие и деформация происходят при более вы­ соких нагрузках.

Высказанные выше положения о характере работы штанговой крепи в выработке круглого сечения под­ тверждаются результатами опытов В. Ф. Рогизиого на моделях из сыпучих материалов [66]. В [79] отмечается еще одна особенность работы штанговой крепи: исклю­ чение сдвижения пород по плоскостям ослабления и их выдавливания между штангами.

Контактные штанги. Цель исследований на моделях из эквивалентных материалов — установление относи­ тельных количественных зависимостей при закреплении пород железобетонными штангами (работа выполнена автором совместно с В. А. Москвиным).

В указанных опытах каждый образец имитировал часть массива горных пород, непосредственно примы­ кающую к контуру вертикальной выработки н имеющую размер 2 x 2 x 2 м. Геометрический масштаб моделирова­ ния IJL U= 1 : 20, где 1М и L„ — линейные размеры соот­ ветственно в модели и натуре. Таким образом, указан­

58

ному участку массива соответствовал образец размером

10X10X10 СМ.

Образцы нагружали в специальной стальной обойме, которая с трех сторон ограничивала боковые перемеще­ ния, имитируя отпор окружающего массива пород (рис. 28). Штанги устанавливали со стороны свободной поверхности образца. При такой схеме загружения ха­

ления с породой. Силовое подобие по отношению к натуре обеспечивали по прочности за­ крепления штанг.

Значения механических свойств материала модели Nu находили из выражения (26). В качестве определяю­ щих характеристик механических свойств пород приняли пределы прочности при сжатии асж и растяжении стр.

При моделировании испытывали незакрепленные и за­ крепленные образцы, варьируя длину штанг, плотность их установки и прочность горной породы. Характеристи­ ка составов гипсопесчаной смеси, а также другие пара­ метры моделирования приведены в табл. 7 и 8.

Объемную массу пород в натуре принимали 2,5 г/см3. Отношение ср : осж для материала модели колебалось в пределах 1: 4,8-М : 6,3.

Всего было изготовлено и испытано около 60 образ­ цов, причем каждая серия испытывалась на одноосное

59