Значения действующих напряжений непосредственно на стенках и на кровле выработок определяются по формулам:

(2.7)

(2.8)

Где К₁ = 2 – коэффициент концентрации напряжений на стенках выработки, ед.; К₂ – коэффициент концентрации напряжений на кровле выработки, ед

Численное значение коэффициента К₂ зависит от формы поверхности кровли выработки:

- для плоской кровли К₂ = 1;

- для сводчатой кровли с высотой свода равной 1/4 ширины выработки К₂ = 0,4;

- для сводчатой кровли с высотой свода равной 1/3 ширины выработки К₂ = 0,3;

- для выработки с круглой формой сечения К₂ = 0,2.

2.3. Определение устойчивости выработки и формы ее сечения

Форма поперечного сечения выработки определяется способом обеспечения устойчивости ее сечения. Обычными формами поперечного сечения горизонтальных и наклонных горно-разведочных выработок являются трапециевидная и прямоугольно-сводчатая.

Прямоугольно-сводчатая форма используется при проходке выработок без крепления в устойчивых породах и при их креплении штангами в породах средней устойчивости, а также и при проходке выработок с большим сроком службы в неустойчивых и весьма неустойчивых породах, когда применяется бетонное или металлическое крепление. Трапециевидная форма применяется при креплении деревом, когда срок службы выработки ограничен, а величина горного давления на крепь относительно невелика.

Определение устойчивости проектируемой выработки и выбор формы ее поперечного сечения проводится в следующей последовательности:

- приняв предварительно прямоугольно-сводчатую форму сечения выработки с высотой свода в 1/3 ширины выработки (К₂ = 0,3), определяются по формулам (2.7) и (2.8) величины напряжений σ_max и σ_min;

- определяется коэффициенты запаса прочности пород в стенках выработки n_б и в ее кровле n_в:

(2.9)

(2.10)

- если n_б ≥ 4 и n_в ≥ 4, то выработка считается достаточно устойчивой и крепления не требует, а форма ее сечения принимается прямоугольно-сводчатой;

- если n_б < 4 или n_в < 4, то выработка требует крепления деревом, а форма ее поперечного сечения принимается трапециевидной.

2.4. Определение требуемых размеров поперечного сечения выработки

При выборе размеров поперечного сечения выработок необходимо исходить из целевого назначения выработки, габаритных размеров применяемого проходческого оборудования, требований Правил безопасности по соблюдению размеров зазоров между габаритами оборудования и элементами крепи или бортами и кровлей выработки, способа крепления и соответствующей этому способу форме сечения. В течение всего срока эксплуатации выработка должна сохранять устойчивость и размеры, обеспечивающие требуемые Правилами безопасности зазоры между перемещаемым по ней оборудованием, ее боками и кровлей.

В связи с тем, что подавляющее большинство горно-разведочных выработок имеет относительно небольшой срок службы и малую протяженность, для них следует выбирать минимально возможное поперечное сечение выработок, а крепление, в случае необходимости, осуществлять деревом или штангами.

Типовым рядом поперечных сечений для горизонтальных и наклонных горно-разведочных выработок по ГОСТ 22940-85 предусмотрено две формы поперечных сечений: прямоугольно-сводчатая и трапециевидная. Размеры соответствующих типовых поперечных сечений в свету приведены в табл. 2.2 и в табл. 2.3.

Таблица 2.2 Размеры сечений в свету подземных горизонтальных горно-разведочных выработок прямоугольно-сводчатой формы по ГОСТ 22940-85
Рис.2.2. Прямоугольно-сводчатое поперечное сечение выработки	Обозначение сечения	Размеры сечения в свету, мм					Площадь сечения в свету Scв, м2
		b	hc	h0	R	r
	ПС-2,0	1120	1480	1850	770	290		2,0
	ПС-2,7	1550	1320	1850	1070	410		2,7
	ПС-4,2	1850	1800	2420	1280	490		4,2
	ПС-4,5	1950	1800	2520	1350	510		4,5
	ПС-5,4	2180	1900	2700	1510	570		5,4
	ПС-6,4	2360	2000	2800	1630	620		6,4
	ПС-6,8	2500	2070	2900	1730	650		6,8
	ПС-8,3	3450	1800	2650	3120	590		8,3
	ПС-8,7	3600	1800	2690	3250	620		8,7
	ПС-10,0	4000	1800	2800	3620	690		10,0
	ПС-11,6	4500	1800	2930	4070	780		11,6
	ПС-12,1	4620	1800	2960	4180	800		12,1

Таблица 2.3 Размеры сечений в свету подземных горизонтальных горно-разведочных выработок трапециевидной формы по ГОСТ 22940-85
Рис.2.3. Трапециевидное поперечное сечение выработки	Обозначение сечения	Размеры сечения в свету, мм			Площадь сечения в свету Scв, м2
		b1	b2	h
	Т-2,0	900	1320	1850	2,0
	Т-3,0	1360	1800	1850	3,0
	Т-4,8	1750	2300	2360	4,8
	Т-5,1	1750	2360	2580	5,1
	Т-6,1	1900	2580	2720	6,1
	Т-7,0	2180	2800	2800	7,0
	Т-7,5	2240	2900	2900	7,5
	Т-8,4	3280	3870	2360	8,4
	Т-9,8	3450	4120	2580	9,8
	Т-11,0	3750	4370	2720	11,0
	Т-12,6	4150	4870	2800	12,6
	Т-13,6	4370	5000	2900	13,6

При проведении горизонтальных горно-разведочных выработок отгрузка горной массы может осуществляться вручную и с применением средств механизации: скреперных установок, погрузочных машин, а ее транспортировка – вручную в вагонетках, скреперами, в вагонетках шахтными электровозами и пр. Особенности определения требуемых минимальных размеров выработок приведены ниже.

2.4.1. Определение требуемых размеров поперечного сечения выработок в свету

при скреперной отгрузке горной массы

Переносные скреперные установки (рис.2.4) применяются при проведении выработок небольшого сечения (Т-2,0; Т-3,0; Т-4,8 или ПС-2,0; ПС-2,7; ПС-4,2) протяженностью до 50 – 70 м, а при двойном скреперовании и до 120 м. Установка включает в себя скреперную лебедку 1 с двигателем, скреперный полок 2, скрепер 3, канаты рабочего 4 и холостого 5 хода и скреперный блок 6.

Рис. 2.4. Отгрузка горной массы из забоя переносной скреперной установкой в вагонетки через погрузочный полок

При скреперовании в люк рудоспуска скреперный полок может отсутствовать. Параметры скреперных установок следует принимать с учетом физико-механических свойств отгружаемой горной массы (табл. 2.4).

Таблица 2.4 Рекомендуемые параметры скреперных установок
Максимальный размер куска, мм	Насыпная объемная масса, т/м3	Расчетная вместимость скрепера, м3	Мощность двигателя лебедки, кВт	Диметр каната, мм		Диаметр скреперного блока, мм
				рабочего	холостого
250	< 2,0	0,10	10	8,8; 10,5	8,8; 10,5	160
	2,0 – 2,8	0,10	10	10,5; 11,5	10,5; 11,5	160; 200
340	< 2,0	0,16	10	10,5; 11,5	10,5; 11,5	160; 200
	2,0 – 2,8	0,16	10	13; 14	13; 14	250
380	< 2,0	0,25	17	13; 14	13; 14	250
	2,0 – 2,8	0,25	30	14; 15	13; 14	250

При проходке выработок обычно используются литые разъемные скреперные блоки (рис. 2.5), жесткие гребковые скреперы СГ-01, СГ-0,16 и СГ-0,25 (рис.2.6, табл. 2.5) и двухбарабанные скреперные лебедки (рис.2.7, табл. 2.4).

Таблица 2.5 Техническая характеристика односекционных гребковых жестких скреперов СГ
Показатели		Вместимость скрепера, м3
		0,10	0,16		0,25	0,40
Длина, мм		950	1250		1400	1700
Ширина, мм		700	850		950	1200
Высота, мм		500	500		560	670
Масса, кг		160	265		400	560
Рис. 2.5. Блок скреперный разъемный литой БС 200	Рис. 2.6. Жесткий гребковый скрепер			Рис.2.7. Скреперная лебедка 17 ЛС

ПРЯМОУГОЛЬНО-СВОДЧАТАЯ форма поперечного сечения выработки (рис. 1.8).

Минимально необходимая ширина выработки в свету b_min определяется по формуле:

, (2.11)

где b_ск – ширина скрепера, мм; с –минимально допустимый зазор между габаритами скрепера и крепью (стенкой) по ширине выработки (200 мм для СГ-0,1; 250 мм для СГ-016 и СГ-0,25; 300 мм для СГ-0,40).

Рис.2.8. Схема для определения размеров поперечного сечения выработки прямоугольно-сводчатой формы при скреперной отгрузке отбитой горной массы: b_ск – ширина скрепера; с – минимальный зазор между скрепером и стенкой выработки; b – ширина выработки; h – высота выработки;

По таблице 2.2 выбирается ближайшее по размеру стандартное сечение отвечающее требованию:

, (2.12)

где b – ширина стандартного сечения горно-разведочной выработки прямоугольно-сводчатой формы.

Трапециевидная форма поперечного сечения (рис.2.9).

Рис.2.9. Схема для определения размеров поперечного сечения выработки трапециевидной формы при скреперной отгрузке отбитой горной массы

Необходимая ширина выработки в свету на уровне верхнего габарита скрепера определяется по формуле:

, (2.14)

а ее минимально допустима ширина в свету по почве выработки – по формуле:

, (2.15)

где h_ск – высота скрепера, мм; α – угол наклона стоек деревянной крепи, град. (≈83^о).

По таблице 2.3 выбирается ближайшее по размеру стандартное сечение отвечающее требованию:

, (2.16)

где b₂ – ширина в свету по низу стандартного сечения горно-разведочной выработки трапециевидной формы.

2.4.2. Определение требуемых размеров поперечного сечения выработок в свету

при машинной погрузке и рельсовой откатке горной массы

При проходке горно-разведочных выработок оборудованных рельсовыми путями, отгрузка горной массы осуществляется, как правило, погрузочными машинами ковшового типа (рис. 2.10, табл.2.5) в шахтные вагонетки (табл.2.6). При штольневом вскрытии разведочных горизонтов используются вагонетки с опрокидным кузовом (рис.2.11) типа ВО, а при вскрытии стволами – вагонетки с глухим кузовом типа ВГ (рис.2.12). Откатка вагонеток к месту их разгрузки или к стволу для последующего их подъема осуществляется обычно аккумуляторными электровозами (рис. 2.13, табл.2.7).

	Таблица 2.6 Техническая характеристика погрузочных машин периодического действия
Рис. 2.10. Погрузочная машина ППН -1с		Показатели	ППН-1с	ППН-2	ППН-1Э	ППН-3	IППН-5
		Минимальная площадь сечения выработки, м2	5,75	5,75	5,75	7,25	4,4
		Техническая производительность, м3/мин	1	0,8 – 1,2	1	1,25	1,25
		Фронт погрузки, м	2,2	2,5	2,2	3,2	4
		Высота, мм:
		по траектории ковша	2250	2350	2200	–	–
		в транспортном положении	1500	1600	1500	1800	1730
		Длина, мм	2370	2550	2300	3200	7340
		Ширина, мм	1320	1590	1500	1500	1400
		Мощность двигателей, кВт:
		ходовой части	8,8	13,2	9,25	37,2	–
		подъема ковша	8,8	13,2	9,25	–	–
		Масса машины, т	3,5	4,7	4,5	8	9

Рис. 2.11. Устройство вагонетки с опрокидным кузовом: 1- стойки рамы; 2 - кузов; 3 - рама; 4- подвагонный упор; 5- колесная пара; 6- сцепка; 7- поворотный сектор со штырями

					Таблица 2.7 Технические характеристики вагонеток, применяемых на разведочных шахтах
Рис.2.12. Вагонетка с глухим не опрокидным кузовом						Тип вагонетки	Вместимость кузова, м3	Допустимая нагрузка, т		Основные размеры, мм:						Масса порожней вагонетки, кг
										длина		ширина		высота
						ВО-0,4*	0,4	1,0		1300		870		1250		485
						ВО-0,8	0,8	2		1900		1000		1250		700
						ВГ-0,7	0,7	1,8		1250		860		1220		515
						ВГ-1,0	1,0	1,8		1500		850		1300		520
						ВГ-1,1	1,1	2,0		1800		850		1300		564
						ВГ-1,3	1,3	2,3		2000		880		1300		635
						ВГ-1,4	1,4	2,5		2400		850		1230		674
Рис.2.13. Аккумуляторный электровоз АК-2-у			Таблица 2.8 Техническая характеристика электровозов, применяемых на разведочных шахтах
			Показатели						Аккумуляторные						Контактные
									АК-2У		4,5АРП-2М		5АРВ-2М		4КР-1		7КР-1У
			Сцепная масса, т						2		4,5		5		4		7
			Ширина колеи, мм						600		600		600/750		600/750		600/750
			Скорость, км/ч						4		6,5		6,5		5,5		10,5
			Мощность двигателей, кВт						4		26		26		210,2		215
			Размеры, мм:
			длина по буферам						2015		3300		3480		3120		4500
			ширина						900		1000		1000		1000		1032
			Высота от головки рельса						1300		1300		1385		1515		1540

На рис. 2.14 показаны аккумуляторный электровоз, вагонетка и погрузочная машина в общей сцепке.

Рис. 2.14.

ПРЯМОУГОЛЬНО-СВОДЧАТАЯ форма поперечного сечения выработки (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Схема для определения размеров поперечного сечения выработки прямоугольно-сводчатой формы с рельсовым транспортом

Предварительно выбираются погрузочная машина, вагонетка и электровоз. После этого производится выбор стандартного размера сечения в следующей последовательности:

- выбирается наибольший поперечный транспортный габарит перемещаемого по выработке оборудования путем сравнения размеров по ширине погрузочной машины (табл.2.5), шахтной вагонетки (табл.2.6) и шахтного электровоза (табл.2.7);

- определяется минимально необходимая ширина выработки в свету

, (2.17)

где n – минимально допустимый зазор между оборудованием и стенкой (крепью) выработки, мм: для монолитной бетонной крепи n = 200 мм, в остальных случаях n = 250 мм; bo – наибольший поперечный транспортный габарит перемещаемого по выработке оборудования, мм; m =700 мм – минимально допустимая ширина прохода для людей;

- по таблице 2.3 выбирается ближайшее по размеру стандартное сечение отвечающее требованию (2.12).

Трапециевидная форма поперечного сечения (рис.2.16).

Предварительно выбираются погрузочная машина, вагонетка и электровоз. После этого производится выбор стандартного размера сечения в следующей последовательности:

-рассчитывается высота верхнего строения пути h_в:

, (2.18)

где h_в – высота верхнего строения пути, мм; h_б – высота балластного слоя под шпалами, мм (обычно ≈100 мм) ; h_ш = 110÷130 мм – высота шпалы; h_р – высота рельс, мм – для рельс Р24 составляет 108 мм;

- выбирается наибольший поперечный транспортный габарит перемещаемого по выработке оборудования путем сравнения размеров по ширине погрузочной машины (табл.2.6), шахтной вагонетки (табл.2.7) и шахтного электровоза (табл.2.7);

Рис. 2.16. Схема для определения размеров поперечного сечения выработки прямоугольно-сводчатой формы с рельсовым транспортом

- по формуле (2.16) определяется минимально необходимая ширина выработки в свету на уровне верхнего габарита оборудования

- рассчитывается минимально необходимая ширина по почве рельсовой выработки трапециевидной формы сечения

, (2.19)

- по таблице 2.3 выбирается ближайшее по размеру стандартное сечение отвечающее требованию (2.16).

2.4.3. Расчет размеров поперечного сечения выработок вчерне и в проходке

Линейные размеры и площадь поперечного сечения вчерне для выработки прямоугольно-сводчатой формы, проводимой без крепления, равны линейным размерам и площади ее сечения в свету:

, (2.20)

где S_вч – площадь поперечного сечения выработки вчерне, м²; S_cв – площадь поперечного сечения выработки в свету, м².

Рис. 1.17. Схема к расчету размеров вчерне выработки трапециевидной формы

Площадь поперечного сечения вчерне для выработки трапециевидной формы (рис.1.17) определяется по формуле: , (2.20) где В3 и В4 – ширина выработки вчерне по кровле и по почве, м; h1 – высота выработки вчерне, м. Линейные размеры поперечного сечения выработки вчерне рассчитываются по формулам ; (2.21) : (2.22) , (2.23) где В1 и В2 – ширина выработки в свету по кровле и по почве, м; h – высота выработки в свету, м ; dст – диаметр стойки; Δз – толщина затяжки. Независимо от формы поперечного сечения выработки, площадь сечения в проходке определяется по формуле

, (2.24)

где К_пр – коэффициент превышения сечения, доли ед.

Численные значения коэффициента превышения сечения определяются по табл. 2.9.

Таблица 2.9 Допустимые значения коэффициента превышения площади сечений выработок
Категории пород по буримости	коэффициент превышения сечения при площади поперечного сечения выработки вчерне, м2
	< 4	4 – 6,4	> 6.5
V – X	1,08	1,06	1,04
XI – XV	1,10	1,07	1,05
XV – XX	1,12	1,09	1,06