книги / Проектирование и расчёт крепи капитальных выработок

10.4.2.Решение задачи для области, ограниченной эллиптическим

икруговым контурами, при произвольной симметричной нагруз­

Предисловие

На апрельском (1985 г.) Пленуме ЦК КПСС была сформу­ лирована концепция ускорения социально-экономического развития страны, которая получила теоретическое и политическое обо­ снование в Основных направлениях экономического и социального’ развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года. Это определило задачи, стоящие перед ведущими отраслями про­ мышленности, в том числе и горнодобывающей, успехи которой во многом зависят от деятельности шахтостроительных организа­ ций. В связи с этим в настоящее время особое внимание уделяется улучшению капитального строительства. Более эффективно исполь­ зуются капитальные вложения и направляются они в первую оче­ редь на реконструкцию и техническое перевооружение действую­ щих предприятий, а также на строительство новых горизонтов и шахт.

При сооружении горных выработок крепление является одним из основных производственных процессов, без которого практи­ чески невозможна эксплуатация шахт. В угольной промышлен­ ности ведется систематическая работа по совершенствованию кон­ струкций крепей. Основными крепями горизонтальных выработок являются металлическая (86 %), бетонная (9 %), тюбинговая же­ лезобетонная (4 %) и другие (1 %).

Все виды крепи, за исключением тюбинговых железобетонных, являются трудоемкими, материалоемкими, дорогостоящими и трудно поддающимися механизации, что стало главным тормозом в своевременной подготовке горизонтов как действующих, так и новых шахт. В практику внедряются экономичные и прогрессив­ ные виды крепи, такие как анкерная и набрызгбетонная; крепи с применением различных упрочняющих средств породного мас­ сива; тюбинговые и блочные крепи с эффективными средствами ме­ ханизации их возведения.

В вопросах проектирования крепи горных выработок в послед­ ние годы достигнуты определенные успехи. Впервые в главе СНиП «Подземные горные выработки» предусмотрено расчетное обосно­ вание конструкций крепи. Издано руководство по расчету крепи, создается система автоматизированного проектирования крепи как часть горнотехнологического комплекса САПР — уголь. Вместе с тем практика проектирования и расчета крепи, принятия и реа­ лизации проектных решений в области крепления горных вырабо­ ток имеет ряд серьезных недостатков.

При разработке типовых сечений горных выработок для кон­ кретных горно-геологических условий не использованы документы для расчетных обоснований и в основном предусмотрены металли­ ческие, трудоемкие и не поддающиеся механизации крепи. Мед­

ленно внедряются в практику проектирования выработок новые прогрессивные методы расчета крепи, основанные на анализе кон­ тактного взаимодействия крепи с массивом пород и позволяющие максимально учесть несущую способность последнего.

Методы механики подземных сооружений, основанные на прин­ ципе взаимодействия крепи с массивом пород и использующие рас­ четные схемы, в которых крепь горных выработок и окружающий массив рассматриваются как единая деформируемая система «крепь—массив», позволяют проектировать наиболее прогрессив­ ные крепи: анкерную и набрызгбетонную; крепи с упрочнением породного массива; бетонную монолитную с экономичными пара­ метрами; трехслойную сталебетонную крепь стволов, сооружаемых способом бурения и др.

Рассмотренные в книге методы расчета крепи капитальных горных выработок позволяют быстро и с высокой точностью про­ изводить многовариантные расчеты с применением современной вычислительной техники. Эти методы расчета обеспечены програм­ мами для ЭВМ, которыми могут пользоваться проектировщики.

Совместно с авторами в написании отдельных разделов книги участвовали Д. И. Колин (гл. 8), В. И. Нечаев (гл. 9), И. И. Савин {§ 3. 4, 4.2), Н. И. Савин (гл. 10), А. С. Самаль (§ 10.2, 10.3).

вает, что одним из определяющих факторов, сдерживающих ско­ рость проведения выработок и снижающих производительность труда, является крепление горных выработок.

Применение тех или иных видов крепи в различных районах связано не столько с требованиями горно-геологических условий, сколько с установившимися традициями и наличием соответствую­ щей базы по изготовлению крепи. Горизонтальные и наклонные выработки крепят в основном (86 %) арочной металлической крепью. Небольшой вес элементов, податливость, универсальность с точки зрения подбора необходимой несущей способности и по­ датливости — достоинства этой крепи. Следует отметить, что именно эта крепь является главным тормозом, препятствием для повышения скорости проведения и производительности труда про­ ходчиков.

Большое число элементов крепи на 1 м выработки не позволяет создать эффективные средства механизации ее возведения, значи­ тельный коэффициент аэродинамического сопротивления увеличи­ вает расход электроэнергии; крепь характеризуется большим рас­ ходом металла. В период возведения крепи простаивают проход­ ческие комбайны, погрузочные машины, бурильные установки. Ана­ лиз технологических схем, разработанных ВНИИОМШСом и КузНИИшахтостроем, показывает, например, что при проведении двух­ путной выработки площадью поперечного сечения в свету 13,5 м2 при коэффициенте крепости / = 4-^6 устанавливают 1,5 рамы на 1 м выработки, на крепление затрачивается 35 % общих трудо­ вых затрат, при этом ручной труд составляет 53,5 %.

Создание средств механизации возведения арочной металличе­ ской крепи практически нереально. Поэтому задача состоит в по­ степенной замене металлических арок на другие, более прогрессив­ ные и экономичные виды крепи, поддающиеся механизации, ха­ рактеризующиеся значительно меньшей трудоемкостью, материа­ лоемкостью и стоимостью.

Такими крепями являются тюбинговая ГКТ и КТАГ. По данным КузНИИшахтостроя, в определенных условиях крепление квершлагов и полевых штреков вместо металлоарочной крепи из СВП сборной железобетонной тюбинговой крепью ГТК дает эко­ номию на 1 м выработки 0,9 т металла и 140 руб. в прямых норми­ руемых затратах, а также экономию электроэнергии. А главное — для возведения этой крепи имеются средства механизации. В оп­ ределенных условиях может с успехом применяться и тюбинговая крепь КТАГ конструкции ВНИИОМШСа. Возможный объем при­ менения тюбинговых крепей в угольной промышленности состав­ ляет 25—30 км, что позволяет ежегодно экономить до 15 тыс. т металла, около 2 млн. руб. и 90 тыс. чел.-смен. В то же время объем применения тюбинговой крепи в течение ряда лет остается на уровне 4—5 км/год (90 % в Кузнецком бассейне и 10 % в Ка­ рагандинском).

Определенные преимущества перед металлической крепью из СВП имеет комбинированная анкерметаллическая крепь АМК,

разработанная КузНИИшахтостроем. Принцип работы этойГкрепи общеизвестен. Вовлекается в работу прилегающая к выработке часть массива горных пород за счет анкеров и металлических стя­ жек. Это позволяет вести установку рам с большим шагом, чта в свою очередь дает экономию на 1 м (в одинаковых условиях) при­ близительно 0,35—0,60 т металла и 110—120 руб. в прямых нор­ мируемых затратах. Возможный объем применения крепи в уголь­ ной промышленности — 120 км/год, что позволяет сократить рас­ ход металла на 36 тыс. т и получить экономический эффект около» 48 млн. руб/год.

Набрызгбетонная крепь весьма перспективна в отношении за­ мены металлической арочной крепи, а в некоторых условиях в со­ четании с анкерами и металлической сеткой она может заменить и бетонную крепь. В угольной промышленности, к сожалению,

набрызгбетона были пройдены и закреплены камера опрокиды­

Донбасса, хорошее. Сравнительная характеристика комбиниро­ ванной крепи из анкеров и набрызгбетона дана в табл. 1.1. За базо­ вую принята выработка площадью поперечного сечения в свету

Только в Центральном районе Донбасса возможно применение набрызгбетонной и комбинированной крепей из анкеров и набрызг­ бетона в объеме 50 % всех капитальных выработок, что может дать экономию в этом районе около 1,5 млн. руб. в год, повышение в 1,5—2 раза производительности труда проходчиков и скорости

вижной металлической опалубки ОМП конструкции КузНИИшах-

сложных горно-геологических условий все виды крепи должны обладать ограниченной податливостью. Средства податливости мо­ гут быть самыми разнообразными.

В настоящее время не применяется для сложных горно-геоло­ гических условий блочная бетонная податливая крепь. При се-