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

УДК 622.281.424 (4 1 9§.2)‘+622:283.74

/ / / Q 3

Кравченко Г. И. Облегченные крепи вертикальных выработок. М., «Недра», 1974, 208 с.

В книге обобщен опыт и определена область применения облег­ ченных крепей в вертикальных выработках, дан анализ физических явлений в породном массиве при его закреплении штангами раз­ личных типов. Изложены особенности технологии возведения иабрызгбетонной крепи в вертикальных выработках. Приведены ме­ тодика выбора параметров штанговой крепи, способы расчета об-, легченных крепей, учитывающие взаимодействие пород и крепи,

крепями.

Книга предназначена для инженеров горных предприятий, работ­ ников научно-исследовательских и проектно-конструкторских ор­ ганизаций.

Таблиц 36, иллюстраций 77, список литературы— 107 назв.

043(01)—74

л

ВВЕДЕНИЕ

Разработка месторождений полезных ископаемых связана с большим объемом проходки вертикальных выработок. В горнодобывающей промышленности в по­ следнее десятилетие ежегодно сооружают около 30 тыс. м вертикальных стволов.

Сооружение вертикальных стволов является наибо­ лее сложным звеном в строительстве шахт и рудников. Продолжительность сооружения стволов шахт в зависи­ мости от глубины и горногеологических условий зани­ мает от 30 до 50% общего времени строительства шах­ ты. Затраты на сооружение ствола составляют 1/3 об­ щих затрат на строительство горного предприятия.

Стоимость крепления вертикального ствола состав­ ляет 40—60% стоимости его сооружения в зависимости от диаметра, материала и толщины крепи. Анализ стои­ мости крепления стволов различными видами крепи (бе­ тоном, железобетонными и бетонными тюбингами) пока­

первых, является значительным резервом удешевления сооружения стволов и, во-вторых, может быть обеспече­ но в основном за счет сокращения расхода материалов и полуфабрикатов, применяемых при возведении крепи. Последнее достигается обоснованным уменьшением тол­ щины или применением новых материалов крепи и спо­ собов повышения устойчивости выработок.

В СССР и за рубежом для крепления горизонталь­ ных выработок широко применяют облегченные крепи — штанговую, набрызгбетонную и комбинированную на их основе. В последние годы в нашей стране выполнены исследования по применению облегченных крепей также

3

Глава I

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОБЛЕГЧЕННЫХ КРЕПЯХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

§ 1. Исходные положения

Широко применяемая в настоящее время на рудни­ ках и шахтах горнодобывающей промышленности набрызгбетонная крепь по характеру работы может нести функции как изолирующей, так и грузонесущей конст­ рукции. Однако методы расчета параметров грузонесу­ щей набрызгбетонной крепи все от е нельзя считать со­ вершенными.

Экспериментальными исследованиями выявлены осо­ бенности взаимодействия набрызгбетонной крепи с по­ родами, принципиально отличающие ее от других видов крепи.

Представления о работе штанговой и набрызгбетон­ ной крепей сейчас оформились в несколько гипотез, от­ носящихся к горизонтальным выработкам. Гипотезы и базирующиеся на них расчетные схемы, как правило, со­ стоят из положений, касающихся: а) механизма совме­ стной работы крепи и породы; б) несущей способности крепи; в) проявлений горного давления (размер зоны неупругих деформаций, скорость и величина перемеще­ ний пород, нагрузка иа крепь).

Наиболее существенные особенности взаимодействия штанг и набрызгбетона с породой одинаковы для выра­ боток любых форм поперечного сечения и положения в пространстве. Поэтому для исследования работы штанг и набрызгбетона в вертикальных выработках можно ис­ пользовать соответствующие положения гипотез для горизонтальных выработок. Особый интерес представ­ ляют их аналитическая проработка и эксперименталь­ ная проверка, использование в расчетных схемах пока­

5

зателей, количественно характеризующих взаимодейст­ вие крепи и породы.

Успешность применения облегченных крепей в верти­ кальной выработке зависит от напряженно-деформиро­ ванного состояния пород вокруг нее, устойчивости и рельефа их обнажения, нагрузок иа крепь и воздействия выветривания, гидрогеологических условий. Перечислен­ ным вопросам посвящены работы [12, 30, 50 и др.], ре­ зультаты которых иногда противоречивы. Для анализа взаимодействия пород с облегченными крепями и опре­ деления параметров последних необходимо располагать фактическими значениями показателей, характеризую­ щих указанные факторы. Поэтому для анализа работы или расчета облегченных крепей предпочтительны ре­ зультаты или натурных наблюдений, или теоретических

мые до или после установки стержней бетоном, смолой и т. п.

Сейчас широко применяют напрягающие и контакт­ ные штанги, комбинированные — значительно реже, в основном в опытных целях; из контактных штанг наи­ более распространены железобетонные.

Основные параметры штанговой крепи, определяе­ мые расчетами или опытным путем — длина, сетка раз­ мещения штанг, сопротивление стержня разрыву и иног­ да срезу, а для напрягающих и комбинированных штанг,

6

кроме того, несущая способность замка и начальное на­ тяжение.

Штанги в первую очередь должны предотвращать расслоение пород, сохранять их монолитность. Этому требованию в большей мере отвечают штанги с жесткой характеристикой, т.е. с наименьшим смещением при на­ гружении (рис. 2): штанга с характеристикой 1 предпоч­ тительнее штанг с характеристиками 2 и 3, штанга с

уступает им при более высоких. Под несущей способ­ ностью штанг понимают максимальные выдерживаемые ими усилия нагружения Pi, Р2, Ръ и Р4.

Конструкция и основные параметры, наряду с други­ ми показателями (взрывоустойчивость, противокорро­ зионная стойкость, время восприятия нагрузки и т. д.), определяют физическую сущность упрочняющего влия­ ния на породу, работоспособность штанговой крепи. Под работоспособностью понимают способность штанг выполнять свои функции в конкретных горно-геологиче­ ских и горнотехнических условиях в течение всего срока службы.

Гипотезы работы и расчетные схемы. Согласно наи­ более ранней гипотезе штанги прикрепляют (подвеши­ вают) находящуюся в зоне возможного обрушения поро­ ду к более прочной и устойчивой в глубине приконтурного массива породе (рис. 3, а и б). Параметры крепи определяются размерами области возможного обруше-

7

ния (зоны неупругих деформации, вывала, отслоения) и весом заключенных в ней пород. Такая расчетная схема пригодна для малых размеров зоны обрушения (обычно

Рис. 3. Работа штанг в вертикальной выработке:

1 — зоны неупругнх деформации; 2 — упругая зона

нения сцепления и повышения трения, сопротивляемо­ сти сдвигу, сжатию.

В соответствии1с третьей гипотезой штанги, сжимая породы, уменьшают в их ближайших к контуру слоях растягивающие напряжения. Возможности уменьшения в породах опасных напряжений, создания более благо­ приятной картины их распределения вокруг выработки с помощью штанг показаны в работах [35, 100, 103].

8

Исходные положения энергетического подхода к рас­ чету штанговой крепи, развиваемого в работе [102], сле­ дующие. Деформирование и смещение в выработку по­ род уменьшают их энергетический потенциал. Освобож­ даемая при этом потенциальная энергия в незакреплен­ ной выработке полностью расходуется на упругопласти­ ческое деформирование и разрушение пород. При за­ креплении выработки штангами эта энергия затрачи­ вается, кроме того, и на преодоление реактивного сопро­

щаемая деформируемыми породами, соответственно уменьшаются возникающие в них напряжения, запас прочности пород повышается. Зная количество высво­ бождаемой при локальном деформировании пород энергии, можно подобрать параметры крепи, обеспечи­ вающие устойчивость пород в течение длительного вре­ мени.

На базе изложенных гипотез предложены методы расчета штанговой крепи советскими (В. Н. Семевский, Е. Я. Махно, А. А. Борисов, О. В. Тимофеев, Б. К. Чукан, А. Т. Топалкароев, И. А. Юрченко и другие) и за­ рубежными (П. Банки, Л. Рабцевич, А. Югон, А. Кост) учеными. Для ряда условий они обеспечивают приемле­ мые результаты [10, 100].

Достоинства и недостатки методов расчета в части выбора гипотез горного давления многократно изложе­ ны в литературе [10, 19, 85 и др.]. Отметим, что сейчас уже имеются методы экспериментального и аналитиче­ ского определения размеров зоны разрушенных пород вокруг выработок [30, 57, 84].

Сложнее решается вопрос о взаимодействии штанг с породой. Большинство авторов признает упрочняющее воздействие штанг на породы, однако в расчетных фор­ мулах оно обычно не учитывается. Имеющиеся немного­ численные попытки в этом направлении не всегда удач­ ны. Например, определяя меру увеличения несущей спо­ собности кровли при схватывании пород штангами, В. Н. Семевский [85] считал возможным принимать со­ противление растяжению такой кровли равным 25% среднеарифметического значения сопротивления растя­ жению породы и стали. А. А. Борисов [10] предлагал учитывать уменьшение момента сопротивления скреп­

9