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

Испытания показали, что закрепление замков тптанг при механизированной забивке лучше, чем при ручной, особенно в крепких породах, так как предельное внедрение усов верх­ него замка в крепких породах при ручной установке трудно осуществить. Прочность закрепления замков штанг зависит от продолжительности забивки их перфоратором. Наилучтпее закрепление замков достигается при забивке перфоратором в течение 6 —8 с. При продолжительной забивке прочность закрепления замков .снижается из-за разрушения пород в забое шпура.

Особое внимание при испытании штанг данного типа обра­ щалось на величину возникающего в штангах начального натя­ жения. При забивке нижнего клина всегда отмечалось смятие деревянных подхватов и вдавливание в них шайб размером 100x100 мм. Это свидетельствует о том, что величина натяже­ ния превосходила 2,5 т — оптимальную величину для дере­ вянных подхватов и шайб подобных размеров.

Штанги распорного типа с конической резьбой испытыва­ лись на шахтах при закреплении замков в песчанике, аргил­ лите и угле. Штанги устанавливались вручную динамометри­ ческим ключом ДК-1 со шкалой, оттарированной до 25 кГм. Усредненные результаты следующие:

Из приведенных данных следует, что величина закрепления штанг в породах практически одинаковая. Однако в различных породах она находится в определенной зависимости от крутя­ щего момента, прилагаемого к нижнему концу стержня штанги. Надежное закрепление замка в угле (5—7 т) достигается при величине крутящего момента 22—25 кГм, в аргиллите при 18'—22 кГм. Величина закрепления резко возрастает после приложения крутящего момента более 12—15 кГм. В песчанике закрепление замков порядка 5 —7 т достигается уже при кру­

Штанги распорно-безрезьбового типа испытывались на шах­ тах при закреплении замков в угле, аргиллите и песчанике. Штанги устанавливались легко и быстро в среднем за 1,5 — 2 мин. Всего было испытано около 500 комплектов штанг.

Результаты исследований таковы:

82

Анализ испытаний показывает, что величина закрепления штанг раснорно-безрезьбового типа существенно не зависит от крепости пород. Начальное натяжение штанг создается сво­ бодно до 2,5—3 т и более. В результате шахтных исследований установлено, что большая несущая способность металлических штанг достигается при установке клинощелевых штанг в поро­ дах средней крепости, а распорных — в породах любой кре­ пости.

Шахтными исследованиями установлено, что несущая спо­ собность штанг в начальный момент, представленная только величиной закрепления верхнего замка, с течением времени но мере опускания пород кровли всегда увеличивается (Маханько, Северьянов, 1960), так как горизонтальные смещения напластований в процессе опускания кровли увеличивают несущую способность штанговой крепи вследствие зажатия ев стержня. Таким образом, несущая способность штанг слагается из величины закрепления верхнего замка штанг и силы зажатия стержня сдвигающимися слоями, последняя достигает в под­ готовительных выработках 35—40% от величины закрепления замков штанг.

§3. Деревянная штанговая крепь

Влабораторных условиях на гидравлическом прессе испы­ тывались деревянные штанги на разрыв и выдергивание при различных конструкциях клиньев. Для испытаний изготовля­ лись специальные приспособления: втулки, металлические клинья, шайбы и штанги длиной 1 м и диаметром 38 мм из лиственницы 109а. На штангу до утолщенной части надевалась

муфта, второй конец штанги вместе с клином запрессовывался в специальной втулке. Штанга той Частью, где находится муфта, закреплялась в верхней подвижной траверсе пресса. В нижней неподвижной траверсе закреплялся конец штанги, запресованный во втулке. При включении пресса траверсы расходились и разрывали стержень штанги или выдергивали штангу из втулки. Усилие, потребовавшееся для разрыва или выдергивания штанги, фиксировалось по шкале пресса.

Анализ результатов испытаний показал, что средние зна­ чения сопротивления стержня штанги на разрыв составляют 990—1230 кг/см2, на выдергивание при втулочном металли­ ческом клине — 2600, на выдергивание при металлическом плоском клине —4000 .кг/см2. Некоторое увеличение сопро­ тивления на разрыв по сравнению с известными ес4ь следствие небольшой (6%) влажности древесины.

Таким образом, деревянные штанги диаметром 38 мм из лиственницы, влажность которой 6%, имеют сопротивление разрыву 980—1200 кг/см2. Плоский металлический клин обеспе­

чивает сопротпвленпе выдергиванию деревянной штанги из втулки до 4000 кг/см2 и наиболее эффективен.

Цель шахтных испытаний деревянных штанг — определение величины закрепления замков штанг в породах кровли и боков горных выработок. Испытания проводились при помощи при­ бора ПА-3 и специального захвата. Исследования показали, что величина закрепления замков деревянных штанг в породах колеблется от 0,5 до 3,7 т. В том случае, когда стержень не де­ формируется, а происходит протаскивание штанги по шпуру, несущая способность деревянных штанг диаметром 38—39 мм из лиственницы составляет 1,6—3,5 т. Существенной разницы

У штанг, выдернутых из шпура, один и тот же характер дефор­ мации; закрепленный в шпуре конец штанги на участке 12 — 15 см имеет смятие, а иногда размочаленные стороны усов, прикасающихся к стенкам шпура. При качественном закреп­ лении замка величина смятия в верхнем конце усов достигает 5 —7 мм на одну сторону.

§ 4. Железобетонная штанговая крепь

При установке железобетонных штанг в породах с отрица­ тельной естественной температурой цементно-песчаные раст­ воры часто ' смерзаются в шпурах до начала схватывания. В связи с этим лабораторными исследованиями определялось влияние отрицательной температуры пород на затвердевание таких растворов при введении в них ускорителей схватывания.

Цементно-песчаные растворы различного состава и различ­ ной концентрации приготовлялись в камере с температурой воздуха —3° и оставлялись для затвердевания на месте затворения в формах из плотной бумаги размером 70x70x70 мм. Испытания опытных образцов производились через 1, 3, 7, 18, 28 суток на гидравлическом прессе. Всего на сжатие испы­ тано 180 образцов — по 45 в каждом из 4 растворов. Усред­ ненные результаты испытаний приведены в табл. 16.

Анализ результатов испытаний показывает, что все при­ готовленные образцы схватывались. Случаев смерзания не наб­ людалось. Через 7 суток после затворения растворов с водо­ цементным соотношением 0,42 и 0,53 кубики имели прочность более 100% от 28-суточной прочности раствора в нормальных условиях без СаС12.

Для определения влияния окружающей температуры на прочность затвердевания растворов было приготовлено и испы­ тано 80 кубиков с размерами 70x70x70 мм в камере с темпе­ ратурой от 0 до —7°. Усредненные результаты испытаний приведены в табл. 17.

84

Т а б л и ц а 16

В ода

— -----------= 0 ,6 9

ц ем ен т

Анализ результатов показывает, что отрицательная темпе­ ратура существенно влияет на прочность и скорость затверде­ вания песчано-цементной смеси, однако введение в нее 4% СаСЬ позволяет через сутки получить прочность смеси более 50% (от 28-суточной прочности) при температуре окружающей

при нормальных условиях без введения добавок). Лаборатор­ ные исследования позволили установить, что введение уско­ рителя схватывания СаСЬ в растворы повышает их морозо­ стойкость и убыстряет схватывание.

В шахтных условиях исследования проводились с целью установления эффективности применения железобетонных штанг при креплении подготовительных выработок с отрицательной температурой пород. В процессе исследований определялась прочность закрепления железобетонных штанг, устанавлива­ лись оптимальные растворы для условий отрицательных темпе­ ратур и зависимость прочности закрепления железобетонных

с целью определения оптимального состава раствора для железо­ бетонных штанг, устанавливаемых в породах с температурой

85

в суточном возрасте от величины заделки стержня в оптимальном растворе, которая может быть вы­ ражена формулой

§ 5. Влияние положительного теплового режима шахт на работоспособность штанговой крепи

в условиях многолетней мерзлоты

Закрепление замков различных металлических штанг су­ щественно зависит от типа пород, в которых они устанавли-

87

ча Стефана первого рода для области, ограниченной изнутри сферой с /?т , равным приведенному радиусу замка штанги.

Используя метод Л. С. Лейбензона (1939), запишем темпе­ ратуры в талой и мерзлой зонах:

‘(рис. 39). Для выяснения поведения координаты радиуса

88

Т', ч

Р ис. 39. Зависимость глубины оттаивания песчаника (а) и угля (б) вокруг замка штанговой крепи от времени при температуре воз­ духа 2° (1—3 при Те соответственно —1, —3, —6°).

объясняется интенсивное падение величины закрепления зам­ ков в первый период после установки металлических штанг.

Штангам распорно-безрезьбового типа свойственно постоян­ ное закрепление замков, так как площадь соприкосновения таких замков со стенками шпура значительно большая, вследствие этого при оттаивании пород наблюдается дополнительное рас­ крытие замка в результате вдавливания его элементов в породы. Вся штанга по шпуру не протаскивается, а стержень штанги перемещается относительно распорного клина. Породы в рай­ оне замка уплотняются, и в дальнейшем при оттаивании вдав­ ливание замка в породы не отмечается, а величина закрепления замков остается постоянной. Натурные и аналитические иссле­ дования величины закрепления замков металлических штанг и факторов, влияющих на нее, позволяют рекомендовать для широкого применения в условиях многолетней мерзлоты штан­ говую крепь с распорно-безрезьбовыми замками.

При установке железобетонных штанг в породах с отрица­ тельной температурой цементные растворы смерзаются в шпу­ рах до начала схватывания, и величина закрепления таких

89

штанг равна нулю или соответствует сопротивлению льда на срез в местах примерзания цементного столбика к стенкам шпура.

Выше указывалось, что получены составы, смерзание кото­ рых до начала схватывания исключается. Однако адгезия таких составов с породами, имеющими отрицательную температуру, в значительной степени зависит от условий, в которых при­ готовляется раствор. При отрицательной температуре воздуха в выработках запас тепла у цементной смеси настолько мал, что даже в совокупности с теплом экзотермической реакции, происходящей при затвердевании, его не хватает для фазового превращения льда и оттаивания пород вокруг шпура. В ре­ зультате, как и в первом случае, затвердевший бетон пример­ зает к стенкам шпура. Несущая способность таких штанг не превышает 2 —3 т. Резко увеличивается величина закрепле­ ния железобетонных штанг в мерзлых породах, когда смесь готовится при положительной температуре воздуха в выработ­ ках. Тогда в цементном составе и металлическом стержне аккумулируется тепло, которого совместно с экзотермическим теплом достаточно для протаивания пород вокруг шпура и схватывания цемента с минеральным скелетом пород.

Количественную оценку температурного режима пород вокруг железобетонной штанги можно получить из решения задачи для уравнения теплопроводности с неизвестной под­ вижной границей, называемой задачей Стефана.

Характер исследуемого процесса дает нам основание сде­ лать следующие допущения, упрощающие решение: 1) значи­ тельное отношение длины штанги к ее диаметру позволяет отнести задачу к осесимметричной; 2) кратковременность процесса схватывания раствора позволяет считать, что ха­ рактер распределения температур в талой и мерзлой зоне

хц

(VI.13)

90

Используя модернизированный метод Л. С. Лейбензона (Лыков, 1967; Лейбензон, 1939) для определения радиуса протаивания, получаем

и более.

Тепловой режим шахт на величину закрепления деревян­ ных штанг практически не влияет. В различных мерзлотных условиях она колеблется в пределах 1,6—3,7 т, редко превышая указанные значения.

* * *

Суммируя данные главы VI, сформулируем краткие выводы. 1. Прочностные характеристики и несущая способность металлических, железобетонных и деревянных штанг обуслов­ ливают эффективность их применения в подготовительных вы­ работках всех трех температурных зон. Рациональны для

данных условий:

а) штанги металлические распорно-безрезьбового типа диа­ метром 16 мм в выработках любого срока службы при закреп­ лении их замков в породах любой крепости;

б) железобетонные штанги для крепления выработок боль­ шого срока службы при установке их в любых породах;

в) деревянные штанги диаметром 38—40 мм для крепления подготовительных выработок второстепенного значения сроком службы 0,5—3 месяца и для укрепления боков долгосрочных выработок любого назначения.

2. Исследования работоспособности штанговой крепи в зоне многолетней мерзлоты показали, что при положительном тепловом режиме шахт имеет место оттаивание пород вокруг замков металлических штанг, потому для крепления горных выработок наиболее целесообразно применять штанги распорнобезрезьбового типа. Стенки горных выработок эффективно укреплять деревянной штанговой крепью.

91