книги из ГПНТБ / Скуба, В. Н. Исследование устойчивости горных выработок в условиях многолетней мерзлоты

обрушением пород непосредственной кровли. Заметные изме­ нения нагрузок на крепь наблюдаются в период сдвижения ос­ новной кровли, величина их 2—3 т. Указанные величины пе­ риодичности абсолютных смещений и скорости смещений по­ род кровли справедливы при глубине горных работ до 120— 140 м. В этих условиях подготовительные выработки, закреплен­ ные деревянной и штанговой крепью, сохраняют свое рабочее

подверженных влиянию очистных работ при установке штанго­ вой или деревянной крепи, опускание и расслоение пород кров­ ли практически отсутствует в течение 1,5—2 лет. Нагрузки на штанговую и стоечную крепь равнозначны и составляют 1—2 т. В выработках, подверженных влиянию очистных работ, и при штанговой, и при деревянной крепи кровля всегда опускается и расслаивается, в результате чего в выработках, закрепленных деревянной крепью, разрушение пород кровли наступает при опускании на 40—60 мм, расслоении на 10—20 мм, нагрузках на крепь 2,5—3 т; в выработках, закрепленных штанговой крепью, разрушение пород кровли отмечается при опускании на 120— 130 мм, расслоении пород заштангованной кровли на 40—60 мм, нагрузках на штанговую крепь 5—6 т. Деревянная крепь в дан­ ном случае не обеспечивает эффективного поддержания под­ готовительных выработок. Штанговая крепь улучшает условия поддержания выработок. Выработки, закрепленные этой крепью, практически не требуют дополнительных работ по поддер­ жанию их при прохождении очистного забоя.

На подмерзлотных горизонтах практически ощутимые смеще­ ния пород кровли в подготовительных выработках наблюдаются на расстоянии 50—75 м от очистных работ. Критической величи­ ной смещения, при котором разрушается деревянная крепь, явля­ ется величина 40—60 мм, для штанговой крепи это 80—90 мм. Разрушение деревянной крепи начинается при подходе очистных работ на 5—10 м, штанговой — после прохождения замерных пунктов очистными работами на расстояние 15—20 м. При штан­ говой крепи по мере приближения очистных работ разрушаются бока выработки, в результате чего ее ширина увеличивается. Увеличение ширины выработки достигает 1,2 м и более, что резко снижает плотность крепи и устойчивость выработок.

Обработка результатов исследований методами математичес­ кой статистики позволила установить зависимость смещения пород кровли горных выработок, пройденных в различных мерз­ лотных условиях и закрепленных разной крепью. В общем виде эта зависимость имеет вид

72

Т а б л и ц а 14

В табл. 14 приведены значения уо и кг для деревянной и штанговой крепи в различных температурных зонах.

Усредненные результаты смещений пород кровли в выра­ ботках (рис. 31), по данным натурных исследований, вполне удовлетворительно аппроксимируются расчетными значениями, что позволяет рекомендовать формулу (V.1) для использова­ ния в практике.

В процессе исследований устойчивости подготовительных выработок получено много данных о критических значениях величины опускания пород кровли, при которых происходит разрушение пород при деревянной и штанговой крепи. При ана­ лизе этих данных замечена определенная зависимость между шириной выработки и значением критического прогиба кровли.

73

выработки. Впоследствии скорость смещения уменьшилась прак­ тически до нуля. Наибольшее опускание репера 3 составило, как уже говорилось, 19 мм. При этом наблюдался «отжим» угля из боков выработки против этого репера. Сдвижение репера 2, находящегося на краю зоны опорного давления от целика, происходило совершенно идентично, но протекало более замед­ ленно и составляло лишь 8 мм. Принципиально иная картина на репере 6, расположенном под серединой целика. В то время как реперы, находящиеся под контуром целика, показывали интенсивное опускание кровли, репер 6 оставался неподвиж­ ным в течение 15 суток, после чего по нему зафиксированы незначительные смещения, лишь на 37-е сутки достигшие 3 мм.

В течение всего периода наблюдений к выработке, в которой находилась наблюдательная станция, приближался фронт очист­ ных работ. Влияние очистных работ на динамику реперов ска­ залось при приближении очистного фронта на расстояние 25— 30 м. В этот период отмечено резкое увеличение скорости опус­ кания участков кровли выработки, находящихся под середи­ ной целика.

Исследованиями установлено, что опорное давление под цели­ ком существует лишь в том случае, когда последний в процессе сдвижения покрывающей толщи не теряет своей несущей спо­ собности, т. е. когда соотношение его ширины к вынимаемой

74

лоты, — опорное давление от очистных работ. Проявления опор­ ного давления в различных температурных зонах угленосной тол­ щи характеризуются определенными закономерностями. Практи­ чески ощутимое опорное давление в зоне многолетней мерзлоты распространяется впереди очистного забоя на 18—20 м, в переходной зоне — на 25—30 м, в условиях подмерзлотных го­ ризонтов — на 50—75 м.

75

2. В зоне многолетней мерзлоты подготовительные выработка сохраняют свое рабочее состояние до погашения очистными работами и при деревянной, и при штанговой крепи. Критиче­ ская величина смещения пород кровли, при которой происходит деформация деревянной рамной крепи, составляет 40—60 м, штанговая крепь в переходной зоне деформируется при сме­ щении пород кровли на 120—130 мм, в условиях подмерзлотных горизонтов — на 80—90 мм.

Впереходной зоне и на подмерзлотных горизонтах

3. Наиболее сложно поддерживать выработки или их участ­ ки, расположенные в зоне опорного давления от целиков, остав­ ленных при отработке вышележащих пластов. На участках, где обнаруживается совокупное влияние опорного давления от этих целиков и очистных работ по пласту, целесообразно при­ менять комбинированную крепь — штанговую в сочетании с поддерживающей деревянной или металлической.

Г Л А В А VI ']

РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ШТАНГОВОЙ КРЕПИ

§ 1. Типы крепи и методика исследований

Исследованиям подвергались конструкции штанговой крепи, применяемые на других предприятиях страны и созданные на Норильском комбинате. Цель исследований — установление наиболее целесообразных конструкций крепи для условий многолетней мерзлоты и подмерзлотных горизонтов с точки зрения надежности их в работе и экономичности изготовления. В табл. 15 приведена характеристика конструкций крепи, прошедших исследования в этих условиях (Скуба, 1965). Поскольку штанги клинощелевые металлические, деревянные и железобетонные неоднократно описывались в литературе, мы остановимся только на конструкциях, которые разработаны в Норильске.

Штанга клинсщелевая с обратным клином в нижнем замке (рис. 34) изготовляется из стали марки Ст. 3. Верхний замок обычно клинощелевой. Конструкция нижнего замка следую­ щая: нижний конец стержня штанги 2 длиной 200 мм выполнен в виде одностороннего клина. Шайба имеет прямоугольное

76

отверстие. Закрепление этого замка про­ изводится забивкой снизу такого же кли­ на, как и в верхнем замке. Штанги уста­ навливаются следующим образом: закреп­ ляется верхний замок, затем подводится подхват, надевается шайба 3 и вводится нижний клин 1. Заклинивание верхнего и нижнего замков производится телескоп­ ным перфоратором или кувалдой.

Штанга распорного типа с коничес­ кой резьбой (рис. 35) изготовляется из стали марки Ст. 3. Комплект состоит из стержня 2 диаметром 20 мм, верхний ко­ нец которого имеет коническую резьбу, переходящую в цилиндрическую (длина нарезки 150 мм), а нижний выполнен в виде головки болта, разрезной муфты с конической резьбой внутри и шайбы. Нормальный диаметр замка штанги 38 мм, максимальный — 52 мм. Штанги устанав­ ливаются вручную, однако конструкция штанги позволяет полностью механизи­ ровать ее установку. На штангу наде­ вается шайба 3, потом разрезная муф­ та 1, соединенная тонкой проволокой, навинчивается на верхний конец стержня, и штанга вводится в шпур. Затем на нижний конец штанги надевается торцо­ вый ключ, при помощи которого произ­ водят закручивание. Муфты при ввинчи­ вании в них стержня раскрываются под действием конической резьбы и закреп­ ляются в породах. Натяжение штанг создается одновременно.

Штанга распорно-безрезьбового типа (рис. 36) изготовляется из стали марки Ст. 5 и состоит из стержня 2 диаметром 16 мм с конусной головкой 3 на верхнем и проу­ шиной 1 на нижнем конце, верхнего

Рис. 34. Штанга клинощелевая с обратным кли­ ном в нижнем замке:

1-клин; 2-стержень штанги; 3-шайба.

Рис. 35. Штанга распорного типа с конической резьбой в верхнем замке:

1 — разрезная муфта; 2 — стержень штанги; 3 — шайба»

78

ристики элементов крепи. Выяснены наиболее ослабленные места и причины их появления. Определена величина натяже­ ния, возникающего при установке штанг распорно-безрезьбо­ вого типа в сочетании с плоскими клиньями. В шахтных усло­ виях определялась несущая способность штанговой крепи,, т. е. величина закрепления замков штанг в различных породах, и факторы, влияющие на эту величину: величина закрепления замков штанг в породах находилась методом выдергивания их из шпуров при помощи известного прибора ПА-3 конструк­ ции Кузнецкого научно-исследовательского угольного инсти­ тута и прибора ДМШ-1 (Скуба, Чеботаев, Евстратов, 1964). Начальное натяжение штанговой крепи и его изменение в про­ цессе работы крепи определялись динамометрическими клю­ чами типа ДК-1 и динамометрами типа ДРИ-1.

§2. Металлическая штанговая крепь

Влабораторных условиях определяли прочностные харак­

теристики металлических штанг диаметром 24; 22; 20; 18; 16 и 12 мм, изготовленных из стали марки Ст. 5. Особое внимание уделялось характеристикам стержней штанг в наиболее ослаб­ ленных местах на участках резьбы и щелей, образованных различными способами: просечкой штампом, фрезерной пилой и автогеном.

Испытания на рызрыв производились на 20-тонном гидрав­ лическом прессе при полном введении клина толщиной, соот­ ветствующей диаметру стержня, в щель штанги. Испытывались стержни длиной 1 м со щелью на одном и нарезкой на другом конце. Стержни между, траверсами пресса устанавливались так, что при разрыве штанги второй конец не подвергался нагрузкам: стержень зажимался посередине и на испытываемом конце. Доказано, что прочность стержней клинощелевых штанг

79

24 и 22 мм является участок резьбы, у штанг диаметром 18, 16, 12 мм — участок щели.

Для установления влияния ширины щели на прочность штанг испытывались стержни диаметром 24 и 18 мм, в которых штампом просекалась щель шириной 2, 3 и 4 мм. При определе­ нии влияния способа образования щели на прочность металли­ ческих стержней диаметром 24 и 18 мм щель шириной 3 мм прорезалась при помощи автогена, фрезерной пилы и штампа. Испытания на разрыв производились при полном введении в щель клина. Результаты испытаний показывают, что с уве­ личением ширины щели от 2 до 4 мм среднее, разрывающее штангу диаметром 24 мм усилие уменьшается с 20,9 до 18,3 т, у штанг диаметром 18 мм —с 10 до 8,9 т. Стержни штанг на участке щели, образованной фрезерной пилой, имеют следую­ щую прочность: при диаметре 24 мм —20,2 т, при диаметре 18 мм — 10,8 т. При образовании щели штампом прочность стержня несколько снижается и у штанг диаметром 24 мм состав­

зованной автогеном: у штанг диаметром 24 мм она изменяется от 16,2 до 20,8 т, в среднем 18,5 т; у штанг диаметром 18 мм —

в штанге распорно-безрезьбового типа при установке ее с пло­ ским клином, был взят керн из габбро-диабазовых пород диа­ метром 100 мм, высотой 300 мм и зацементирован в металли­ ческую трубу. По центру керна бурилось сквозное отверстие. В этом «шпуре» закреплялся верхний замок штанги, на штангу надевался соответствующей длины отрезок трубы, динамометр и шайба. В проушину штанги вводился клин и по нему нано­ сились удары молотком или кувалдой. Величина возникшего натяжения фиксировалась по динамометру. Одновременно определялась величина скольжения замка в «шпуре». Испыта­ ния прекращались, когда натяжение штанг переставало воз­ растать, следовательно, замок не смещался при удлинении штанги.

Установлено, что для создания натяжения штанг в пределах 4 —5 т можно использовать легкую кувалду весом 3 кг, причем достаточно нанести 3 —4 удара по клину, чтобы посредством плоского клина нижнего замка получить натяжение, равное величине закрепления верхнего замка.

Лабораторные исследования показали, что прочностные характеристики стержней диаметром не менее 16 мм из стали марки Ст. 5 позволяют применять такие стержни для изготов­ ления штанговой крепи. Ширина щели и способ образования ее существенно влияют на прочность стержней штанг на участке щели. Наиболее целесообразна щель шириной 3 мм, образован­ ная штампом.

80

В птахтньтх условиях проводились эксперименты с целью определения несущей способности штанг клинощелевого типа диаметром 24—12 мм. Штанги устанавливались в итпурах,

чанике, затем производилось выдергивание штанг. Усреднен­ ные результаты испытаний представляются в следующем виде (из-за слабого закрепления замков вследствие вибрации и

клинощелевых штанг в шахтпътх условиях 0,8—2 т. При необ­

Сопоставление расчетных данных, полученных по этим фор­ мулам при различных значениях п, с данными натурных экспе­ риментов показало хорошую сходимость результатов.

Таким образом, величина закрепления замков клинощеле­ вых штанг находится в обратной зависимости от соотношения диаметра буровой коронки и толщины клина и в прямой зави­ симости от прочности пород, в которых штанги устанав­ ливаются.

Штанги клинощелевого типа с обратным клином в нижнем замке испытывали на шахтах и рудниках. Приводим усреднен­ ные результаты: