книги / Проектирование и расчёт крепи капитальных выработок

икрепление 1 м3 выработки

всвету, чел-смену

рийном производстве средств механизации ее возведения эта крепь может в значительной степени заменить бетонную и металлобетон­ ную, снизить трудовые и материальные затраты приблизительно на 25 %. Основными причинами продолжающегося широкого при­ менения дорогостоящих и трудоемких видов крепи, по нашему мнению, являются следующие:

наличие мощных баз по производству этих видов крепи; отсутствие средств механизации по возведению новых прогрес­

сивных видов крепи и предприятий по их изготовлению; отставание в разработке новых нормативных документов, кор­

ректировке и разработке новых типовых сечений; слабая заинтересованность шахтостроительных и других орга­

низаций в применении крепи, обладающей меньшей стоимостью и металлоемкостью (шахтостроительные организации, исполь­ зующие более дорогостоящую крепь, имеют и более высокие пока­ затели по объемам выполнения работ готовой строительной про­ дукции и по выработке на одного рабочего).

Банк рекомендуемых видов крепи сосредоточен, как известно, в так называемых типовых сечениях горных выработок, которыми руководствуются проектировщики при ее подборе для конкретных горно-геологических условий.

В настоящее время в угольной отрасли имеется 28 действую­ щих сборников типовых сечений выработок и один эксперимен-

тальный сборник (набрызгбетон с анкерами конструкции Днепрогипрошахта).

До 1980 г. выпущено 14 видов типовых сечений, из них пять — для горизонтальных и наклонных выработок (металлоарочная крепь и металлобетонная крепь), девять — для камер, перегру­ зочных пунктов, депо, подстанций и др., в основном — это моно­ литная бетонная крепь. В 1980—1981 гг. предложены четыре вида типовых сечений горных выработок: для вертикальных (1981 г.), для горизонтальных выработок — гладкостенная тюбинговая крепь ГТК (1980 г.), для камер. В настоящее время завершается разра­ ботка типовых сечений для анкерметаллической крепи (АМК). Предполагается разработать типовые селения наклонных стволов с их зумпфовыми частями, горизонтальных выработок (металло­ бетонная крепь с рештачными каркасами, металлическая крепь многократного использования), сопряжений (металлическая ароч­ ная и металлобетонная крепь), сопряжений стволов с околоствольными дворами.

Пока не планируется разработка типовых сечений выработок с крепью из набрызгбетона и анкеров и крепью регулируемого сопротивления, которые прошли успешные испытания на строя­ щихся шахтах, сечений выработок, строящихся с упрочнением по­ родного массива, сечений с блочной крепью и податливыми про­ кладками и других прогрессивных видов крепи.

Вероятно, все предлагаемые или применяемые крепи должны рассматриваться с учетом возможности комплексной механизации всего горнопроходческого цикла или хотя бы механизации всех процессов (в том числе и возведения крепи) в отдельности.

Действующие сборники типовых сечений горных выработок составлены с учетом коэффициента крепости пород по М. М. Протодьяконову, категории устойчивости, величины предполагаемых перемещений, целого ряда не увязанных между собой дифференци­ рованных коэффициентов надежности, перегрузки, условий ра­ боты конструкции крепи и т. п.

Основательно разработаны методы механики подземных соору­ жений по расчету крепи, которые отображены в главах СНиП П—40—80 «Метрополитены», СНиП П—44—78 «Тоннели железно­ дорожные и автодорожные»; они включены в «Руководство попроектированию подземных горных выработок и расчету крепи угольной отрасли» и все шире используются в практике проек­ тирования крепи.

Необходимо подчеркнуть, что ни в одном из действующих сбор­ ников типовых сечений горных выработок угольной отрасли нет ссылок на использование указанных нормативных документов, а также на методы механики подземных сооружений, так как они разработаны позднее, чем действующие типовые сечения.

Типовые сечения горных выработок разрабатывались разными

Союзшахтопроектом принято решение о разработке эталона типового сечения горных выработок.

В качестве единого для всех типовых сечений капитальных горных выработок научного обоснования целесообразно использо­ вать сведения об области применения этих сечений. В результате многовариантных расчетов крепи с использованием схемы контакт­ ного взаимодействия крепи с деформируемым массивом пород и существующих методов оценки прочности крепи (по предельным состояниям) в наиболее опасных сечениях, может быть четко обо­ значена граница области применения крепи для наиболее харак­ терных горно-геологических условий угольных месторождений. В качестве параметров области применения крепи можно предло­ жить следующие, наиболее удобные для проектировщиков: модуль общей деформации пород в массиве Е (МПа), глубина от земной поверхности Н (м), отставание возведения постоянной крепи от обнажения пород (расстояние крепи от забоя выработки, м).

Область применения крепи может быть задана в виде графи­ ков (номограмм) и продублирована в табличной форме. Табличная форма области применения крепи целесообразна для использова­ ния типовых сечений в системе автоматизированного проектирова­ ния (САПРуголь) и включения их в соответствующие банки данных.

Практика строительства новых шахт и подготовки новых го­ ризонтов требует переориентировки на новые, более прогрессив­ ные виды крепи, поддающиеся механизации, менее трудоемкие и материалоемкие. Для этого необходимо дальнейшее развитие обоснования проектирования и расчета рациональной крепи для конкретных условий.

Основные положения проектирования и расчета крепи

До недавнего времени к крепи горных выработок и подзем­ ных сооружений при проектировании и расчете подходили как к обычной конструкции, разделяя расчет на три стадии: определе­ ние внешних нагрузок, определение внутренних сил (или напря­ жений) и проверку прочности конструкции. Крепь рассматривалась либо вне массива пород (рис. 2.1, I), воздействие которого заменя­ лось внешними распределенными нагрузками Рверт, либо как кон­ струкция на упругом основании (рис. 2.1, II, III), испытывающая кроме внешних (активных) нагрузок РаКт еще и упругий (пас­ сивный) отпор со стороны основания. Поскольку расчет собственно конструкции (определение внутренних усилий и проверка проч­ ности) трудностей не представлял, то проблема расчета крепи в це­ лом отождествлялась с проблемой определения (прогноза) нагрузок на крепь. Предполагалось, что можно изучить закономерности на­ гружения крепи и, таким образом решить проблему ее расчета и проектирования.

В течение десятилетий проблемой определения нагрузок на крепь занималась экспериментальная и теоретическая механика горных пород (геомеханика). В результате исследований было получено большое число данных натурных измерений, результатов физиче­ ского моделирования и теоретических исследований, изучены про­ цессы, протекающие в массиве пород при сооружении в нем выра­ боток, и закономерности взаимодействия массива с крепью.

В процессе изучения традиционных представлений о работе крепи как обычной конструкции, находящейся под действием внеш­ них сил (см. рис. 2.1), появились новые понятия о взаимодействии крепи с массивом и о системе крепь — массив (крепь — порода). Раз­ витие механики горных пород привело к весьма важному выводу, что проблема определения внешних нагрузок на крепь не может быть решена без рассмотрения каждой конкретной конструкции крепи в конкретном массиве пород. В силу взаимодействия крепи с массивом пород и совместного их деформирования крепь при расчете принципиально нельзя рассматривать вне массива. Поиски

вом, в которой и крепьу и массив рассматриваются как элементы единой деформируемой системы (рис. 2.2) (Н — глубина заложения выработки). Она явилась логическим завершением представлений о взаимодействии крепи с массивом пород, о системе крепь — мас­ сив и объединила накопленные механикой горных пород сведения в стройную систему.

д

Рис. 2.1. Традиционные расчетные схемы крепи:

/ — по заданным нагрузкам; II — к методу Б. П. Бод­ рова — Б. Ф. Матэри; I I I — к методу С. С. Давыдо­ ва; а — общая схема сооружения; б — расчетная схема стенки

Рис. 2.2. Расчетная схема Г Н. Савина

Переход к новой расчетной схеме означает качественный ска­ чок в развитии теории расчета подземных конструкций. Это выра­ жается в первую очередь в коренном пересмотре представлений о действующих нагрузках, в качестве которых при расчете на гор­ ное давление выступают массовые силы тяжести пород или в общем случае компоненты начального поля напряжений в нетронутом массиве, формируемого под влиянием гравитационных и тектони-

ческих сил. Существенно изменилось содержание понятия «на­ грузки на крепь», которое постепенно утрачивает свое значение и заменяется новым: «напряжения на контакте крепи с массивом»

или, короче, «контактные напряжения». Нагрузки на крепь — контактные напряжения — уже не представляют собой исходных данных при расчете крепи, а рассматриваются как следствие де­

весьма сложные теоретические проблемы. Если при использовании традиционных расчетных схем рассматривали элементарную ста­ тически неопределимую раму (см. рис. 2.1, I), статически неоп­ ределимую стержневую систему (см. рис. 2.1, И) или более слож­ ную систему на упругом основании (см. рис. 2.1, III), расчет ко­ торых принципиальных трудностей не представлял, то при обра­ щении к концепции совместного деформирования крепи с массивом (см. рис. 2.2) решаем контактную задачу механики деформируе­ мого твердого тела, математический аппарат которой (теория ана­ литических функций комплексного переменного, метод конформ­

Таким образом, подземные конструкции в смысле их расчета выделились в самостоятельную категорию, не имеющую аналогий с другими строительными конструкциями. Заметим, что в настоя­ щее время имеются аналитические решения плоских задач (исклю­ чая одномерные) только для линейно-деформируемой среды (за­ дачи теории упругости), круг которых с позиций запросов подзем­ ного строительства ограничен. Решение многих задач, диктуемых строительством, вызывает пока еще непреодолимые математиче­ ские трудности. На помощь приходят приближенные методы ре­ шения контактных задач расчета подземных сооружений, к числу которых относятся численные методы конечных элементов, конеч­ ных разностей и др., а также экспериментальные методы физиче­ ского моделирования (фотомеханики и эквивалентных материалов).

Отмеченные качественные изменения и теории расчета подзем­ ных конструкций, развитие новых методов, существование серьез­ ных теоретических проблем — все это обусловило формирование новой области знаний, новой научной дисциплины — механики подземных сооружений [6, 9, 10]. Как уже отмечалось выше, пер­ вые реализованные идеи о взаимодействии крепи с массивом пород, которые соответствуют современным представлениям и которые по праву могли бы быть отнесены к механике подземных сооружений, принадлежали еще Г Н. Савину. Однако эти идеи не были под­ креплены практическим опытом и по этой причине не получили в то время признания в области расчета крепи, хотя оказали боль­ шое влияние на развитие механики горных пород.

С традиционным представлением о действующих на крепь на­ грузках (давление пород) связано имя М. М. Протодьяконова —

основоположника этого направления. В работе [31], анализируя результаты исследований распределения напряжений вокруг от­ верстий, он пишет: «Таким образом, в отношении совершенно сплош­ ных упругих тел, в противовес всем остальным случаям, мы имеем вполне строгую теорию, подтверждаемую опытом. К сожалению, все это нисколько не подвигает вопроса о давлении на крепь, ибо рассматривает лишь напряжения в самих породах Нам кажется, что указанный путь только тогда даст надлежащий результат, когда кроме пород будет введена в рассуждение и сама крепь

и давление пород будет неодинаково для различных видов крепи. Затруднение заключается в том, что крепь не составляет одного целого с породой Это не есть одно тело, охватываемое одними и теми же уравнениями, а система двух разнородных тел, хотя и действующих совместно». «Такой задачи никто еще не решал» — добавляет далее автор.

Далее следует работа Ф. А. Белаенко, решившего задачу рас­ чета крепи ствола круглого сечения для случая контакта упругой крепи с массивом, моделируемым физически нелинейной средой. Задача решена в одномерной постановке (плоская полярно симмет­ ричная задача). Ф. А. Белаенко ввел понятие о начальных смеще­ ниях контура сечения выработки, реализуемых до ввода крепи в контакт с породами, и предложил способ учета этих смещений при расчете крепи ствола (ввел их в уравнение совместности де­ формаций крепи и пород).

Анализируя результаты натурных измерений нагрузок на крепь выработки некруглого (прямоугольного) сечения, Ф. А. Бе­ лаенко пишет: «Более точно распределение нагрузок может быть установлено математическим путем при рассмотрении совместной деформации породы и крепи, но такая задача пока еще не решена. Во всяком случае, полученные при измерении горного давления результаты говорят о том, что распределение нагрузок на элементы крепи от горного давления происходит более сложно, чем мы это ранее представляли, и вызывается совместной работой крепи и по- роды. Поэтому те теории горного давления, которые рассматривают горное давление как нечто независимое от крепи, не могут счи­ таться достаточно обоснованными» [3].

Дальнейший вклад в становление механики подземных соору­ жений был внесен работами, выполненными под руководством Г. А. Крупенникова [21] и К- В. Руппенейта [36]. В этих работах экспериментально и теоретически было установлено существенное влияние касательных напряжений на контакте крепи с массивом пород на напряженно-деформированное состояние крепи, что по­ служило одним из важных факторов, обусловивших переход к схеме контактного взаимодействия крепи с массивом.

2.1.Механика подземных сооружений

ипринципы расчета крепи

Крепь горных выработок и обделка подземных сооружений давно выделились в особый класс инженерных конструкций, од­ нако их расчет долгое время производился,традиционными мето­

и его модификациям, к числу которых относится метод С. С. Давы­ дова (см. рис. 2.1, III) и др., они не учитывали специфику работы подземных конструкций именно как подземных. Наличие упру­ гого основания не должно вводить в заблуждение читателя, так как брус (балка) на упругом основании, очевидно, не может быть от­ несен к подземным конструкциям даже после того, как этот брус стал криволинейным, а упругое основание расположилось по всему внешнему периметру (см. рис. 2.1, II).

В отличие от массива пород упругое основание давления на крепь не создает, поэтому существенным признаком традицион­ ных методов расчета является наличие нагрузки (активной) не сле­ дующей из расчетной схемы, а определяемой произвольно. По­ скольку подземные конструкции рассматривались при расчете как обычные, широко известные в строительной механике конструкции (стержневые системы, конструкции на упругом основании), то, разумеется, не существовало и особой области науки, которая бы занималась методами расчета подземных сооружений.

Специфика работы подземных конструкций, именно как под­ земных, заключающаяся во взаимодействии с окружающими вы­ работку породами, была отражена в расчетной схеме контактного взаимодействия крепи с массивом, которую предвидел М. М. Про­ тодьяконов и которую впервые реализовали для выработки круг­ лого сечения Г Н. Савин и Ф. А. Белаенко. Эта схема возникла как отражение опыта и практики в результате синтеза достижений экспериментальной и теоретической механики горных пород. Бла­ годаря этой схеме особый класс строительных конструкций — под­ земные конструкции — получил особые, соответствующие этим конструкциям методы расчета.

Выше были названы имена советских ученых, трудами которых была создана механика подземных сооружений. Здесь необхо­

ний и шахт», разработана программа курса и, наконец, издан пер­ вый учебник для вузов [10].

В настоящее время в области механики подземных сооружений успешно работают Ш. М. Айталиев [17], Н. С. Булычев [5—10,

.12, 13], Ж- С. Ержанов [17], Н. Н. Фотиева [42—45] и др. Расчет крепи с использованием численного метода конечных

элементов разрабатывается в трудах М. А. Резникова и С. А. Юфина. Экспериментальные методы механики подземных сооружений развиваюгся в работах И. X. Костина, Ю. А. «Пиманова [23], Н. А. Фи­ латова, Г «Л. Хесина [46] и др.

Основополагающим принципом механики подземных сооруже­ ний является принцип совместного дерормирования крепи горной выработки {обделки подземного сооружения) с окружающим масси­ вом пород {принцип взаимодействия). Массив и крепь рассматри­ ваются как единая деформируемая система, приходящая в движе­ ние либо вследствие обнажения массива выработкой под влиянием начального поля напряжений в массиве, либо вследствие сейсми­ ческих или иных воздействий на массив с выработкой.

Принцип взаимодействия может одновременно служить крите­ рием принадлежности данной концепции к механике подземных сооружений.

Благодаря принципу взаимодействия в механике подземных со­ оружений достигнуто единство подходов к расчету закрепленных и незакрепленных выработок, а также к расчету подземных соору­ жений на все виды статических и динамических воздействий (гор­ ное давление, давление подземных вод, внутренний напор, сейсми­ ческие воздействия землетрясений, динамические воздействия взры­ вов и т. п.). Указанный принцип был распространен на все виды крепи, включая анкерную и набрызгбетонную. Таким образом, было обеспечено единство начал, единство и внутренняя согласованность системы научных знаний, чего не существовало в предшествующие годы.

Представление о массиве пород как о деформируемой среде, ослабленной, подкрепленной или неподкрепленной полостью, мо­ делирующей подземное сооружение, обеспечило требование взаим­ ного соответствия современных методов исследования подземных сооружений, что, как известно, является одним из центральных методологических критериев научности. Сущностью современных методов в механике подземных сооружений является знаковое или предметное моделирование деформируемого массива с выработкой {подземным сооружением). Основные методы механики подземных сооружений: аналитические методы теории упругости, в первую очередь, и механики деформируемого твердого тела вообще, чис­ ленные (конечных элементов, конечных разностей), эксперимен­ тальные (фотоупругости, эквивалентных материалов).

Следует особо подчеркнуть, что современная механика подзем­ ных сооружений говорит на языке математики, причем математика выступает не как внешняя организующая структура научного зна­ ния, что было характерно для предшествующего эмпирического

уровня развития науки, а как способ получения основных научных результатов и развития науки.

Современные научные построения механики подземных соору­ жений согласуются с опытом наблюдений, причем эта согласован­ ность выступает не в частном, а в общем виде. Схемы контактного взаимодействия крепи (обделки) с массивом имеют более высокий уровень согласования с данными экспериментов и опытом, чем предшествующие схемы расчета крепи по заданным или активным нагрузкам. Согласованность с опытом наиболее отчетливо высту­ пает в принципиально новых экспериментально-аналитических методах расчета, основанных на решении обратных задач — опре­ делении характеристик начального поля напряжений в массиве па измеренным значениям деформаций или напряжений в элементах подземных сооружений. Таким образом, по данным измерений на­ ходятся величины, не зависящие от конструкции крепи, на которой выполнялись измерения, что существенно расширяет возможности интерпретации результатов измерений.

В соответствии с указанным выше основополагающим принци­ пом механика подземных сооружений позволила рассматривать

многообразие условий работы подземных сооружений как проявле­ ние единства.

Современная механика подземных сооружений позволяет пред­ сказывать вид и характер возможных разрушений, подсказывает, как и что следует наблюдать, какие величины следует измерять, при каких условиях необходимо осуществлять наблюдения.

Принятый в настоящее время уровень идеализации, степень упрощений и абстракций позволяют осуществлять точные вычис­ ления и измерения в соответствии с информацией о системе реаль­ ных объектов.

Формирование механики подземных сооружений означает пере­ ход на новый научный уровень, на котором объектами исследова­ ний стали явления и процессы, информация о которых хранится и трансформируется в математизированных понятиях и формулах.

2.2. Практика проектирования и расчета крепи

Формирование механики подземных сооружений открыло ши­ рокие перспективы для ее дальнейшего развития. Механика под­ земных сооружений — это прикладная наука, развитие которой обусловливается запросами подземного строительства. Новые ме­ тоды расчета подземных сооружений, разрабатываемые в рамках этого научного направления, сразу же внедряются при проектиро­ вании и строительстве важных народнохозяйственных объектов, в числе которых можно назвать тоннели Байкало-Амурской маги­ страли, подземные сооружения Рогунской и Байпазинской ГЭС, автодорожные тоннели на магистрали Ялта—Симферополь и на подъездной дороге к Ирганайскому гидроузлу, вертикальные стволы шахт, сооружаемые бурением, тоннели Днестровской ГЭС—ГАЭС, комплекс подземных сооружений гидроузла Мрича