21860

Управление геомеханическими процессами при проведении капитальных выработок и строительстве подземных сооружений

Лекция

География, геология и геодезия

Управление геомеханическими процессами при проведении капитальных выработок и строительстве подземных сооружений. Задачи управления горным давлением и основные принципы обеспечения устойчивости горных выработок. Закономерности изменения напряженного состояния приконтурного массива выработок при их различных положениях в пространстве относительно поля напряжений в массиве пород и преобладающих структурных неоднородностях. Выбор и обоснование оптимальных форм и размеров поперечных сечений рациональной ориентации выработок.

Русский

2013-08-04

2.82 MB

34 чел.

2

Тема 3. Управление геомеханическими процессами при проведении капитальных выработок и строительстве подземных сооружений. 4 часа лекций + 6 часов лабораторных работ.

Типы проявлений горного давления в капитальных и подготовительных выработках. Задачи управления горным давлением и основные принципы обеспечения устойчивости горных выработок. Закономерности изменения напряженного состояния приконтурного массива выработок при их различных положениях в пространстве относительно поля напряжений в массиве пород и преобладающих структурных неоднородностях. Выбор и обоснование оптимальных форм и размеров поперечных сечений, рациональной ориентации выработок. Целенаправленное изменение свойств окружающего массива. Основные типы крепей горных выработок и методы их расчёта. Основные типы крепей подземных сооружений.

3.1. Типы проявлений горного давления в капитальных и подготовительных выработках.

В зависимости от деформационных и прочностных характеристик пород, непосредственно примыкающих к контуру выработки, могут иметь место различные виды деформаций пород на контуре выработок или их разрушение. В разнообразных горно-геологических условиях в зависимости от свойств пород процессы деформирования и разрушения в стенках, кровле и почве выработок имеют те или иные характерные признаки и соответственно классифицируются, как различные виды проявлений горного давления.

Сразу же после образования очередного участка выработки в результате взрывания комплекта шпуров или механического разрушения вследствие воздействия рабочих органов машин породы вокруг выработки, практически, мгновенно упруго деформируются. Это деформирование охватывает значительную область вокруг выработки, в том числе и вокруг ранее пройденной части этой же выработки на некотором расстоянии позади забоя.

Вследствие высокой скорости деформирования (приближающейся к скорости звука) упругие деформации вокруг забоя выработки успевают развиться до возведения крепи и в результате этого часто остаются незамеченными. Вместе с тем, на ранее пройденных участках выработки в случае, если они закреплены весьма жесткой крепью, дополнительные, даже незначительные, упругие деформации могут вызвать значительные разрушения. Во избежание этого жесткие постоянные крепи всегда возводят с некоторым отставанием от забоя.

При этом важно подчеркнуть, что это отставание постоянной крепи необходимо осуществлять не только с целью предохранения её от воздействия взрывных работ, если проходку осуществляют буровзрывным способом (очень распространённое мнение), но и от указанного воздействия упругих деформаций.

Фактически, выбор и обоснование величины отставания установки постоянной крепи от забоя является элементом управления геомеханическими процессами в приконтурном массиве пород.

Упругое деформирование пород в выработках иногда может сопровождаться интенсивным хрупким разрушением пород с выделением значительного количества энергии.

Следует подчеркнуть, что проявления горного давления в форме хрупкого разрушения пород определяются как действующими напряжениями, так и особенностями деформирования пород.

Если действующие напряжения не превосходят определенного критического значения или же породы обладают способностью к проявлению значительных пластических деформаций, то хрупкого разрушения пород не происходит, а после сравнительно спокойного упругого деформирования развиваются пластические деформации как без разрыва сплошности (пластическое течение}, так и с разрывом её, т. е. разрушение.

В случаях, когда уровень действующих напряжений вокруг выработок недостаточен для разрушения самих структурных блоков, из которых сложен массив, происходит разрушение пород в форме сдвига и отрыва по поверхностям естественных трещин или других структурных неоднородностей. Это приводит к наиболее массовому типу проявлений горного давления — образованию вывалов и заколов. 

Если же породы в приконтурной области массива склонны к проявлению вязких свойств, в частности ползучести, то в выработках наблюдаются специфические типы проявлений горного давления — сближение (конвергенция) стенок выработок или почвы и кровли или пучение пород.

Область массива пород вокруг выработок, в которой проявляются пластические, вязкие деформации и разрушение, составляет так называемую зону неупругих деформаций. Параметры зоны неупругих деформаций характеризуют состояние выработки, они являются исходными для выбора и расчета крепи, а поэтому их определение — обычно конечная цель теоретических и экспериментальных исследований.

3.2. Задачи управления горным давлением и основные принципы обеспечения устойчивости горных выработок.

Под управлением горным давлением, или, другими словами, управлением состоянием приконтурного массива пород обычно понимают совокупность мероприятий по регулированию напряжённо-деформированного состояния горных пород, окружающих горные выработки, в целях обеспечения их безопасной эксплуатации и создания необходимых условий ведения технологических процессов добычи полезных ископаемых.

Задачи управления горным давлением в капитальных и подготовительных выработках включают в себя:

а) обеспечение необходимых требований к форме, размерам поперечных сечений и сохранности выработок во времени с точки зрения обеспечения нормальных условий для выполнения технологических операций при добыче полезных ископаемых;

б) обеспечение безопасных условий работы людей и механизмов на протяжении всего срока эксплуатации выработок;

в) выбор наиболее экономичных мероприятий по обеспечению устойчивости выработок и их поддержанию.

Поскольку виды проявлений горного давления в капитальных и подготовительных выработках определяются соотношением величин действующих напряжений и деформационных характеристик окружающего массива пород, мероприятия по управлению горным давлением могут быть направлены:

на снижение действующих напряжений в массиве;

на повышение деформационной способности и прочностных характеристик приконтурной части массива.

По первому направлению - снижение величин действующих напряжений можно достигать следующими способами:

1. Исключать или по мере возможности снижать опасность возникновения высоких концентраций напряжений в приконтурных областях массива.

Этого можно достичь специальной организацией и методами проведения проходческих работ.

2. Придавать выработкам наиболее устойчивые формы поперечных сечений, которые определяются как видом и параметрами напряженного состояния массива пород, так и его структурными особенностями.

3. Выбирать оптимальную ориентацию сечений вертикальных выработок или направлений горизонтальных выработок в пространстве конкретного массива пород.

Второе направление - повышение деформационной способности и прочностных характеристик приконтурной части массива можно реализовать различными способами:

  1.  Путём искусственного упрочнения пород вокруг выработок.

К подобным мероприятиям относится тампонирование пород, в частности цементация и укрепление трещиноватых массивов битумизацией или глинизацией пород. Эти способы позволяют повысить сцепление пород в массиве.

В некоторых случаях бывает достаточно повысить прочность вмещающих пород лишь на сравнительно короткий период времени, до возведения постоянной крепи. С этой целью используют специальные способы проведения выработок с замораживанием пород.

Эффективны также кессонные способы проходки выработок при создании избыточного давления воздуха в призабойной зоне. В этом случае породы приконтурного массива постоянно находятся в условиях объёмного напряжённого состояния, а это резко изменяет в сторону увеличения их прочностные и деформационные свойства.

2. Путём применения мероприятий, направленных на максимальное использование несущей способности пород.

К ним относятся способы проходки выработок, обеспечивающие минимальное разрушение пород вокруг выработок, в частности, ведение взрывных работ методом контурного взрывания, проведение выработок бурением на полное сечение и др.

3. Путём предотвращения изменения свойств пород приконтурного массива под влиянием агентов выветривания.

Для этого в выработках применяют изолирующие виды крепи.

  1.  Возведение в выработках того или иного вида несущих крепей.

В рамках данной темы по первому направлению детально рассмотрим вопросы выбора устойчивых форм поперечных сечений и их ориентации в пространстве, а по второму – наиболее широко применяемые методы крепления выработок и ,частично, методы укрепления приконтурного массива.

3.3. Закономерности изменения напряженного состояния приконтурного массива выработок при их различных положениях в пространстве относительно поля напряжений в массиве пород и преобладающих структурных неоднородностях.

Проведение выработок с физической точки зрения можно представить как образование полости в массиве горных пород, обладающем определёнными свойствами и начальным (или естественным) полем напряжений. При этом вокруг выработки - полости формируется новое поле напряжений и смещений, являющееся результатом выемки породы при проведении горных работ.

В настоящее время основные закономерности формирования указанных полей напряжений достаточно детально изучены, разработаны экспериментальные и теоретические методы определения их параметров при условиях, отвечающим различным случаям горнотехнических ситуаций. При этом в большинстве случаев решения получены в предположении идеально упругого деформирования массива пород. Подобная постановка в малой степени отвечает реальным условиям деформирования массивов, но обладает огромным преимуществом, поскольку результаты определения напряжений являются максимально возможными.

Проследим основные закономерности изменения естественных полей напряжений при проведении горных выработок на простейших примерах.

В частности, простейшей формой сечения горных выработок является круговая. На практике её редко применяют для горизонтальных выработок, но для вертикальных стволов она широко распространена. В этом случае напряжения могут быть выражены весьма простыми формулами:

при равнокомпонентном поле естественных напряжений (1 = 3)

                     a2

r = 1 (1 - -----);

                     r2

                                                                                                              (3.1)

                       a2

= 1 (1 + -----);

                      r2

при неравнокомпонентном поле естественных напряжений (1  3)

              a2      3 + 1      3 + 1           a2

r = (1 - ----) [----------- + --------------- (1 - 3-----) cos 2 ];

              r2             2                   2                 r2

        3 + 1       a2     3 - 1           a4

= -----------(1 + ----) - ----------- (1 + 3-----) cos 2 ;                             (3.2)

           2                r2            2                  r4

          3 - 1          a2        a4

r = - -----------(1 + 2---- - 3------) sin 2 ;

              2                  r2        r4

где 3 и 1 — компоненты тензора напряжений в нетронутом массиве горных пород; а радиус сечения выработки; r,  — текущие полярные координаты.

Как следует из уравнений (3.1) и (3.2), напряжения в любой точке массива пород вокруг кругового сечения определяются соотношением напряжений в нетронутом массиве и координатами данной точки.

Причем в случае равномерного поля естественных напряжений (например, для вертикальных стволов при действии в массиве только гравитационных сил) коэффициент концентрации тангенциальных напряжений, т.е. коэффициент, показывающий во сколько раз напряжение в данной точке превышает соответствующее напряжение в нетронутом массиве (К = i / ), в любой точке контура равен максимально К = 2 и все напряжения являются сжимающими (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Распределение напряжений вокруг выработки кругового поперечного сечения при равнокомпонентном напряжённом состоянии нетронутого массива (3 = 1).

При неравномерном поле напряжений (3  1) на части контура выработки со стороны действия большего из напряжений появляется область растягивающих напряжений, которая тем обширнее, чем больше разница между 3 и 1. Сжимающие же напряжения в противоположность этому имеют большие значения со стороны действия меньших нагрузок.

Рассмотрим несколько частных случаев.

1. Естественное поле в массиве пород - гравитационное, соответствует гипотезе академика АН СССР А.Н. Динника, т.е. 1/3 = /(1-). При = 0.2 горизонтальное напряжение 1 = 0.25 3. Выработка горизонтальная (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Распределение напряжений в кровле и стенках горизонтальной выработки кругового поперечного сечения при соотношениях компонент тензора напряжений в нетронутом массиве по А.Н. Диннику (при v = 0,2; 1 = 0.25 3)

В этом случае максимальный коэффициент концентрации напряжений К наблюдается в боках выработки и составляет 2,75. В кровле образуется небольшая зона растяжений.

2. Естественное поле в массиве пород - гравитационно-тектоническое, т.е. горизонтальное напряжение 1 = 2 3 (рис. 3.3а) и 1 = 10 3(рис. 3.3б).

При этом максимальная концентрация напряжений наблюдается в кровле горизонтальной выработки, коэффициенты концентрации составляют соответственно 5 и 29.

Рис. 3.3. Распределение напряжений в кровле и стенках горизонтальной выработки кругового поперечного сечения при действии тектонических сил.

а - при 1 = 2 3; б - при 1 = 10 3).

Во всех рассмотренных случаях речь идет о коэффициенте концентрации тангенциальных напряжений, поскольку радиальные напряжения на контуре всегда равны нулю, если со стороны контура выработки массив не испытывает противодавления (например, реакции жесткой крепи).

Интересно проследить, как изменяется размер L области влияния выработок, т. е. другими словами, на каких расстояниях от контура выработки напряжения практически не отличаются от соответствующих компонент поля напряжений нетронутого массива.

Вычисления по формулам (3.2) показывают, что для условий равнокомпонентного (гидростатического) напряженного состояния нетронутого массива уже на расстоянии, немногим более трёх радиусов выработки [L = 1.65d (где d = 2a)], значения и тангенциальных и радиальных составляющих отличаются от соответствующих компонент напряжений в нетронутом массиве не более, чем на 5%.

Для других условий нагружения наблюдаются существенные различия в скорости затухания компонент напряжений и r по мере удаления от контура выработки. При этом, как правило, быстрее затухают те компоненты, которые имеют большие коэффициенты концентраций на контуре.

Так, при 1 = 0.25 3 наиболее быстро затухает тангенциальное напряжение в стенке выработки, уже на расстоянии L = 1.35d от контура оно отличается на 5% от значения такового в нетронутом массиве. Остальные компоненты (в том числе и в кровле) затухают медленнее, и указанный уровень достигают лишь на расстоянии L = 2.75d.

При 1 = 2 3 и 1 = 10 3тоже быстрее затухают в кровле, исходя из этого, радиальная протяженность области влияния выработки составляет соответственно L = 1.5d. и L = 1.25d. Медленнее затухают радиальные составляющие напряжений. В частности, в стенке значение r в первом случае отличается на 5% от уровня соответствующей компоненты нетронутого массива на расстоянии L = 2.5d от контура. Особенно медленно уменьшаются радиальные составляющие в кровле во втором случае (L = 7d).

Таким образом, размеры зоны влияния выработок существенно зависят от степени равномерности начального поля напряжений и минимально, при наиболее благоприятном случае, для круговой формы сечения составляют около полутора диаметров.

Представляет практический интерес характер распределения напряжений в массиве в сторону забоя выработки. В данном случае напряженное состояние массива уже нельзя отождествлять с распределением напряжений в плоскости продольного сечения выработки и необходимо рассматривать пространственную задачу. Результаты исследований свидетельствуют, что в самом простом случае, если конфигурацию забоя представить приближённо полусферой, а начальное поле напряжений в массиве является равнокомпонентным (гидростатическим) 1 = 2 = 3, компоненты напряжений определяются формулами в сферической системе координат (; r; )

= = 1[1 + a3 / 2 r3]                                                                         (3.3)

r = 1[1 - a3 / r3].

В этом случае (рис. 3.4) размеры зоны влияния и значения коэффициентов концентрации существенно меньше, чем для плоской постановки. В частности, уже на расстоянии L=0,8 d от контура выработки компоненты напряжении весьма мало отличаются от таковых в нетронутом массиве, а коэффициент концентрации тангенциальных напряжений на контуре К = 1,5.

Рис. 3.4. Распределение напряжений вокруг забоя выработки кругового поперечного сечения.

Чтобы проследить, как изменяются напряжения в массиве пород в зависимости от формы сечений выработок, рассмотрим случаи, когда выработки имеют эллиптические, прямоугольные и сводчатые поперечные сечения.

В практике горного дела эллиптическую форму поперечного сечения иногда применяют для вертикальных стволов.

На рис. 3.5 представлены графики напряжений вокруг эллиптического отверстия с отношением осей а/б = 2, при тех же соотношениях компонент начального напряженного состояния, как и для круговой формы сечения выработок.

Из сопоставления графиков на рис. 3.2; 3.3; и 3.5 следует, что в целом характер распределения напряжений вокруг эллиптического отверстия подобен таковому при круговом сечении. Однако коэффициенты концентрации тангенциальных напряжений отличаются от соответствующих им коэффициентов при круговой форме.

По сравнению с круговой формой сечения выработок эллиптическое сечение характеризуется несколько большими скоростями затухания напряжений по мере удаления в сторону массива, т. е. меньшей областью влияния. В частности, для наиболее благоприятных случаев, размеры области влияния эллиптического сечения составляют около 1.2 большого диаметра (разница между напряжениями на границе области влияния и в нетронутом массиве не превышает 5%).

Рис. 3.5. Распределение напряжений в стенках выработки эллиптического поперечного сечения с соотношением осей а/б=2 при различных компонентах тензора напряжений в нетронутом массиве.

На напряжения вокруг выработки эллиптического сечения влияют соотношение полуосей сечения и (что особенно важно) ориентировка осей сечения в поле напряжений 1 и 3 нетронутого массива.

Фактически, это один из элементов управления состоянием приконтурного массива вокруг выработок в случае их эллиптического сечения:

Максимальная устойчивость выработки достигается при соблюдении равенства а/б = 3/ 1 и при расположении большей оси сечения по линии действия наибольшего из напряжении в нетронутом массиве. 

Это необходимо иметь в виду при проектировании горных выработок, выборе их оптимальных направлений и ориентации поперечного сечения.

Отмеченные закономерности можно проследить и при рассмотрении графиков напряжений вокруг сечений выработок прямоугольной и сводчатой формы (рис. 3.6). Однако в этих случаях напряжения уже не могут быть представлены в виде элементарных уравнений, и их вычисляют с помощью более сложных математических методов.

Рис. 3.6. Распределение напряжений в стенках выработки прямоугольной (а) и сводчатой (б) форм поперечного сечения.

Если в качестве модели массива применяется анизотропная упругая модель, в частности, модель трансверсально-изотропного тела, то характер распределения напряжений вокруг выработок изменяется.

В настоящее время разработана теория упругости анизотропной среды, позволяющая вычислять напряжения вокруг отверстий различной конфигурации, однако лишь отдельные решения доведены непосредственно до числа. При этом имеющиеся данные об анизотропии упругих свойств пород свидетельствуют о незначительных отличиях значений напряжений вокруг выработок в анизотропных массивах от изотропного случая.

Теоретические работы о распределении напряжений в физически нелинейных упругих средах показывают, что при этом коэффициенты концентрации напряжений вокруг отверстий различной формы, в отличие от случая линейного деформирования, существенно зависят от упругих характеристик среды и значений внешних нагрузок.

Физическая нелинейность среды приводит к более равномерному распределению напряжений возле отверстий вследствие понижения коэффициента концентрации напряжений в наиболее нагруженных точках сечения. К выравниванию поля напряжений вокруг выработок приводит, в частности, и пластическое деформирование пород. Если породы проявляют пластические свойства, непосредственно вокруг контура выработки формируется область пластических деформаций.

Таким образом, упругие решения можно рассматривать как верхний предел возможных напряжений в реальных массивах горных пород, обеспечивающий некоторый запас в инженерных расчётах. Величина этого запаса тем большая, чем больше реальные свойства массива отличаются от свойств идеально упругой среды.

На современных горных предприятиях лишь сравнительно небольшая часть выработок — одиночные, которые не испытывают влияния соседних выработок. Это обычно капитальные выработки — вскрывающие (стволы, штольни) и подходные (квершлаги, уклоны и др.) и в меньшей степени подготовительные. Большую же часть выработок проводят на небольших расстояниях друг от друга, определяемых параметрами применяемой системы разработки. В результате взаимного влияния напряженное состояние пород вокруг таких выработок существенно изменяется.

Теоретическое определение напряжений вокруг системы сближенных выработок является более сложной задачей, чем для одиночной выработки, но и в этом случае могут быть применены методы теории упругости, разработаны также и приближенные методы решения подобных задач.

Результаты теоретического изучения, а также практический опыт проведения и эксплуатации горных выработок позволяют заключить, что напряжения вокруг взаимовлияющих выработок зависят от их размеров, конфигурации, размеров целиков между ними, пространственного расположения по отношению друг к другу, от числа сближенных выработок, а также от параметров начального поля напряжений в нетронутом массиве.

Прежде всего, рассмотрим достаточно простой случай, когда на близком расстоянии друг от друга в массиве пройдены две одинаковые параллельные выработки с поперечными сечениями круговой формы (рис. 3.7, 3.8).

Очевидно, что взаимное влияние выработок теоретически начнет сказываться, когда расстояния между их контурами будет меньше трех диаметров.

     

Рис. 3.7. Тангенциальные напряжения (в долях 3) в стенках (точка Б) сближенных выработок на одном горизонте в зависимости от ширины целика между ними при различном напряженном состоянии нетронутого массива.

Рис. 3.8. Тангенциальные напряжения (в долях 3) в кровле и почве (точка Б) сближенных выработок на разных горизонтах в зависимости от расстояния между их центрами при различном напряженном состоянии нетронутого массива.

Из рис. 3.7 и 3.8 видно, что при сближенных выработках тангенциальные напряжения на их контуре могут увеличиваться в 2 раза и более, при этом напряжение в точке Б растет особенно быстро, когда ширина целика становится меньше радиуса выработок. Исключение представляет случай, когда действуют высокие горизонтальные напряжения тектонического происхождения. Тогда напряжения в целике и на контуре выработок уменьшаются или даже могут измениться по знаку.

Существенную роль играет ориентация максимального главного сжимающего напряжения нетронутого массива по отношению к системе выработок. Если оно действует вдоль линии центров сечений выработок, то при сближении выработок концентрация напряжений в целике убывает (при 1 = 103 на рис. 3.7). Если же оно направлено перпендикулярно к линии центров, то концентрация напряжений в целике возрастает (при 1 = 0.253 на рис. 3.7 и 1 = 103 на рис. 3.8).

Отсюда ещё один элемент управления состоянием массива:

в массивах с негидростатическим распределением напряжений или при ярко выраженной анизотропии упругих свойств пород парные сближенные выработки целесообразно располагать таким образом, чтобы линия их центров совпадала с направлением наибольшего главного напряжения или с направлением в массиве, по которому модуль упругости имеет максимальное значение (например, для слоистого массива - перпендикулярно к слоистости).

При увеличении числа сближенных выработок отмеченные закономерности сохраняются, изменяются лишь фактические значения действующих напряжений. В частности, в наиболее неблагоприятном случае при условиях, приближающихся к одноосному сжатию поперек линии центров системы из достаточно большого числа выработок, напряжение на контуре каждой из них может достигать пятикратного значения по отношению к одиночной выработке (при ширине целика l=0,2r).

Особое значение для практики имеет случай, когда поперечные сечения взаимовлияющих выработок существенно различны.

Поскольку область влияния одиночной выработки прямо пропорциональна радиусу сечения выработки, очевидно, что наиболее ощутимо влияние сближенных выработок скажется на распределении напряжений вокруг выработки меньшего сечения. На рис. 3.9 приведены зависимости напряжения на контуре выработки меньшего сечения в точках А и Б от размера целика между сближенными выработками при фиксированном отношении радиусов их сечений (R/r = 20), а также от отношения радиусов R/r при постоянной ширине целика (l=5 r) в условиях гидростатического напряженного состояния нетронутого массива.

Из рис. 3.9 следует, что в точках контура малой выработки, располагающихся вблизи линии, соединяющей центры обеих выработок, тангенциальные напряжения могут увеличиваться в 2 — 2,5 раза; при этом наиболее интенсивно они растут в диапазоне отношения радиусов выработок до 20. В то же время в точках контура,

Рис. 3.9. Тангенциальные напряжения (в долях 3) на контуре выработки (точки A и Б) в зависимости от ширины целика (а) и при различных соотношениях радиусов сближенных выработок (б).

расположенных под прямым углом к линии центров, напряжения уменьшаются, вплоть до смены их знака.

Влияние выработки большего сечения начинает существенно сказываться при ширине целика между выработками l1 - l,5D (где D=2R). Выработка меньшего сечения на напряжения вокруг выработки большего сечения практически не влияет.

В тех случаях, когда подготовительная выработка попадает в область влияния очистной выработки камерного типа, расстояние, на котором начнет сказываться влияние последней, будет меньшим, чем соответствующие расстояния в рассмотренном примере. Это объясняется существенно меньшими (почти в 2 раза) размерами области влияния изометрической выработки по сравнению с цилиндрической.

Рассмотренные закономерности распределения напряжений вокруг сближенных выработок позволяют заключить, что в большинстве случаев взаимное влияние выработок проявляется в увеличении тангенциальных напряжений .

Отсюда элементы управления состоянием массива:

На практике стремятся по возможности быстрее миновать зону взаимного влияния выработок, т.е. зону повышенных напряжений, для чего выработки стараются сопрягать под прямым углом.

При проведении сбоек между параллельными выработками или при Т-образном пересечении выработок предварительно делают небольшие засечки в стенках соединяемых выработок, и затем производят сбойку из этих засечек. В этом случае область взаимного влияния также уменьшается, поскольку, напряжения впереди забоя выработок уменьшаются пропорционально кубу расстояния от контура выработки, тогда как со стороны стенок — пропорционально квадрату этого расстояния.

В практике горного дела очень важно иметь представление о распределении напряжений в массивах пород при сложных сочетаниях выработок, целиков, выработанного пространства и дневной поверхности. В таких случаях весьма эффективными оказываются так называемые численные методы.

Основным достоинством этих методов является универсальность, применимость для широкого класса случаев и относительная простота вычислений. Их недостатком является большой объем вычислений, однако применение электронно-вычислительной техники позволяет его преодолеть и при достаточной надежности исходных данных обеспечить точность решений, достаточную для практики.

На рис. 3.10 приведён пример расчёта величин напряжений методом конечных элементов для системы нескольких камер и целиков.

Рис. 3.10. Результаты расчёта величин напряжений методом конечных элементов для системы нескольких камер и целиков.

3.4. Выбор и обоснование оптимальных форм и размеров поперечных сечений, рациональной ориентации выработок.

Если напряжения на контуре выработок вследствие их концентрации превышают пределы прочности пород, происходит разрушение приконтурных участков массива. В результате вокруг выработок образуется зона нарушенных пород. Параметры этой зоны связаны как с природными факторами (действующие напряжения в массиве и свойства пород), так и с технологическими (способ проходки выработки, характеристики крепи, процессы вентиляции и водоотлива выработок и пр.).

В общем случае параметры зоны нарушенных пород вокруг выработок могут быть определены экспериментально или аналитически.

Аналитический подход к определению размеров зоны нарушенных пород, позволяет прогнозировать устойчивость выработок в различных условиях, в том числе на глубинах, еще не вскрытых горными работами. При этом, в первую очередь, необходимо учитывать воздействие статических напряжений, поскольку влияние динамических нагрузок от взрывных работ в широком диапазоне горно-геологических условий, практически, можно полагать одинаковым, оно приводит к дополнительному ослаблению пород вокруг выработок, для случая скальных массивов это ослабление наблюдается в интервале 20—40 см от контура.

Поскольку горные породы в основной своей массе неодинаково сопротивляются приложенным нагрузкам, их характеризуют, как правило, двумя показателями прочности — пределом прочности на одноосное растяжение [р] и пределом прочности на одноосное сжатие [сж]. В первом случае разрушение происходит под воздействием нормальных (растягивающих) компонент тензора напряжений i и формой разрушения является отрыв. Во втором случае начальной формой разрушения также является отрыв и появление трещин, но после образования так называемой магистральной трещины или поверхности сдвига, дальнейшее разрушение происходит в форме сдвига под действием  касательных напряжений i. При этом, в конечном итоге, прочность пород удобно характеризовать значениями сцепления [0] и угла внутреннего трения 0. Эти два параметра могут быть определены либо непосредственно из испытаний пород на срез, либо по паспорту прочности. Формой разрушения при этом является относительное смещение (сдвиг) отдельных частей пород.

Вследствие блочного строения массивов горных пород их сопротивление растягивающим напряжениям весьма мало, так что в инженерных расчетах предел прочности пород в массиве на растяжение можно полагать равным нулю. В таком случае область разрушения будет совпадать с областью действия растягивающих напряжений.

Размеры области растягивающих напряжений связаны с конфигурацией выработок и характеристиками естественного поля напряжений нетронутого массива. На рис. 3.11 показаны области растягивающих напряжений вокруг выработки

Рис. 3.11. Зависимости относительных размеров области растягивающих напряжений в кровле (d/l) и стенках (d1/l) выработки прямоугольного сечения при различных напряженных состояниях нетронутого массива и соотношениях l/h.

1—зависимость d/l при 1 = 0,25 3; 2, 3 — зависимости d1/l соответственно при 1 = 2 3 и 1 = 10 3.

прямоугольной формы сечения и приведены зависимости максимальной радиальной протяженности этой области в кровле и стенках выработки от соотношения размеров сечения и при различных напряженных состояниях нетронутого массива.

Наиболее опасна область растягивающих напряжений в кровле выработки, которая обычно ограничивается некоторой сводообразной кривой. Вследствие этого, как элемент управления состоянием массива 

при проведении выработок им стараются придать сводчатую форму сечения, чтобы уменьшить или вообще исключить образование зоны растягивающих напряжений. 

При действии в массиве пород вокруг выработки только сжимающих напряжений может иметь место разрушение (раздавливание) структурных блоков (разрушение по поверхностям структурных неоднородностей самого высокого 4-го порядка), либо, если действующие напряжения относительно невелики, скол по поверхности естественных трещин или других неоднородностей более низких порядков, т. е. разрушение лишь в области контактов структурных блоков (рис. 3.12). Последний вид разрушения особенно характерен для массивов скальных трещиноватых пород.

Согласно теории предельного равновесия условие неразрушения по поверхности скольжения, например по I - I, определяется неравенством

Рис.3.12. Схема действия напряжений при разрушении в форме скола (сдвига).

ху[0] + n tg0                                                                              (3.4)

где худействующие максимальные касательные напряжения; [0] и 0 — сцепление и угол внутреннего трения разрушаемого материала; nнормальная составляющая напряжения, действующая на площадку скольжения.

В свою очередь нормальная и касательная составляющие по поверхности скольжения определяются формулами

         y - x

ху = -----------sin 2

             2                                                                                               (3.5)

n = y cos2  + x sin2 

где y и x — соответственно максимальное и минимальное главные напряжения;  угол наклона поверхности скольжения к линии действия минимального главного напряжения x. С учетом зависимостей (3.5) неравенство (3.4) принимает вид

y - x

-----------sin 2[0] + (y cos2  + x sin2 ) tg0                               (3.6)

    2                                                                   

или после преобразования выражения в скобках

y - x                                                 y + x

-----------cos 2 (tg 2 - tg)[0] + --------- tg0                                  (3.7)

    2                                                         2

Для горных пород наибольшее применение находит теория прочности О. Мора, в соответствии с которой для предрасчета условий разрушения хрупких однородных материалов (с неоднородностями только высших порядков) с приемлемой в практике точностью достаточно учитывать лишь максимальное y и минимальное x главные напряжения. Другими словами, проверку прочности можно проводить лишь для действия максимального касательного напряжения ху.

Однако если рассматривать условия неразрушения участков массива горных пород, ослабленных различно ориентированными поверхностями структурных неоднородностей низких порядков, то необходимо проверять прочность породного массива и при действии других касательных напряжений (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Схемы разрушения пород по поверхностям различно ориентированных структурных неоднородностей.

а-в - соответственно под воздействием [x, y]; [z, x]; [y, z].

1 - структурный блок; 2 - поверхность неоднородности (плоскость ослабления).

В этом случае полная система условий прочности состоит из трех неравенств:

y - x                                                       y + x

-----------cos 21 (tg 21 - tgтр) [тр] + --------- tgтр

    2                                                                2

z - x                                                      z + x

-----------cos 22 (tg 22 - tgтр) [тр] + --------- tgтр                       (3.8)

    2                                                              2

y - z                                                        y + z

-----------cos 23 (tg 23 - tgтр) [тр] + --------- tgтр

    2                                                                 2

где [тр], тр — сцепление и угол внутреннего трения по поверхностям неоднородности, в частности по естественным трещинам; 1, 2, 3 - углы ориентации поверхностей неоднородности по отношению к меньшему из главных напряжений.

Условия скола по поверхностям естественных трещин позволяют оценить и размеры зоны возможных вывалов из стенок и кровли выработок. При этом необходимо учитывать, что вывал какого-либо структурного блока возможен лишь в результате одновременной реализации скола по поверхностям трещин I, II и III (рис.3.14) при условии, что по верхней его грани происходит отрыв.

Рис. 3.14. Схема образования вывала из стенки вертикального ствола.

I - III — поверхности структурных неоднородностей.

В принципе возможны два подхода к расчёту радиальной глубины зон возможных вывалов. Первый, при недостатке данных о структурных особенностях рассматриваемого массива, предусматривает определение максимально возможных областей вывалов в предположении наиболее неблагополучного расположения гипотетических поверхностей ослабления. Второй – когда в качестве исходных данных используются реальные геометрические параметры систем структурных неоднородностей, определённые по результатам натурных измерений.

На основе рассмотренного подхода может быть произведён выбор наиболее устойчивых форм поперечного сечения выработок.

Традиционные представления о наиболее устойчивых формах поперечных сечений выработок складывались, главным образом, на основе практического опыта проведения работ в условиях малосвязных грунтов или сравнительно непрочных осадочных пород.

Указанным массивам пород в меньшей степени свойственны упорядоченные структурные неоднородности, по своим свойствам они приближаются к сыпучим средам с той или иной степенью связности между отдельными частицами. Этим же массивам более свойственны естественные поля напряжений, обусловленные лишь гравитационными силами. В подобных условиях справедливо полагают, что для вертикальных выработок наиболее устойчивой формой поперечного сечения является круговая, для горизонтальных выработок - сводчатая.

Как показывают расчёты с использованием формул (3.8) для условий скальных массивов подобные выводы не всегда являются справедливыми, всё определяется конкретными условиями полей естественных напряжений, реальными параметрами структурных неоднородностей массива пород и геометрическими характеристиками выработок, в частности, их сечений.

Рассмотрим последовательно вертикальные и горизонтальные выработки сначала при условии действия только гравитационных напряжений, а затем и в условиях проявления тектонических сил.

Естественное поле напряжений массива – гравитационное.

Вертикальные выработки.

В качестве примера приведём результаты расчётов зон возможных вывалов из стенок вертикального ствола при различных формах поперечных сечений (круговой, эллиптической и прямоугольной) для случая действия в массиве пород только гравитационных напряжений.

Расчёты выполнены для условий одного из медно-никелевых месторождений Кольского полуострова, которые являются типичными  для скальных массивов. В данном случае массив сложен весьма прочными и упругими разновидностями ультраосновных пород – пироксенитами и перидотитами с объёмным весом 3.3 т/м3 и пределом прочности на срез 450 кг/см2. Вместе с тем на месторождении выделяются четыре системы крупноблоковых трещин, расчленяющие массив на структурные блоки с размером ребра в среднем около 1 м. Сцепление по поверхности крупноблоковых трещин в среднем составляет 10.5 кг/см2, значение угла внутреннего трения около 400.

Результаты расчётов показывают, что радиальные протяжённости зон вывалов из стенок ствола при рассмотренных формах сечений меняются незначительно (от 0.2 до 0.6 м). Вместе с тем, если для круговой и эллиптической форм сечений форма зон возможных вывалов повторяет контуры сечения, то в случае прямоугольного сечения ствола вывалы возможны только по малой стороне сечения (рис.3.15).

Рис. 3.15. Схема расположения зон разрушений по крупноблоковым трещинам возле стволов эллиптического (а) и прямоугольного (б) поперечного сечения на глубине Н=600 м при [тр] = 10.5 кг/см2.

1 – зоны скола по трещинам под действием максимального и минимального главных напряжений; 2 - зоны скола по трещинам под действием промежуточного и минимального главных напряжений. Зоны возможных вывалов заштрихованы.

Отсюда следует весьма существенный вывод о возможностях управления состоянием приконтурного массива пород:

  •  при круговой форме сечения ствола параметры зон вывалов не зависят от ориентации осей сечения в пространстве и с этой точки зрения оптимизация расположения ствола невозможна (рис. 3.16);

Рис. 3.16. Схема расположения зон возможного скола по естественным трещинам вокруг ствола кругового поперечного сечения (глубина Н=600 м, диаметр сечения 6 м, сцепление по поверхности трещин [тр] =10 кгс/см2).

1 — зона возможного скола под действием максимального и минимального главных напряжений; 2 — зоны возможного скола под действием промежуточного и минимального главных напряжений; а,б,в,г — соответственно зоны скола по различным системам естественных трещин. Зона возможных вывалов заштрихована.

  •  при эллиптической и прямоугольной формах сечений оптимизация возможна, при этом в основу может быть положен принцип сосредоточения зон возможных вывалов по системам трещин с наибольшей вероятностью (частотой) на возможно меньших длинах контура (рис. 3.17).

Рис. 3.17. Оптимальная ориентировка эллиптического (а) и прямоугольного (б) сечений вертикального ствола в рассматриваемом массиве пород.

1,2,3,4 – соответственно зоны возможных вывалов по трещинам различных систем.

Таким образом, весьма существенно, что в массиве пород блочного строения каждой форме поперечного сечения вертикальных выработок (за исключением круговой, т.е. осесимметричной) соответствует своя оптимальная ориентировка осей симметрии относительно систем структурных неоднородностей.

При этом заметим, что, изменяя ориентацию сечения ствола в пространстве по отношению к преобладающим системам структурных неоднородностей, нельзя уменьшить радиальную протяжённость зон возможных вывалов, но можно снизить степень распространённости её по контуру сечения.

Горизонтальные выработки.

С точки зрения эксплуатации для горизонтальных выработок наибольшее применение находят сводчатые формы поперечных сечений. При этом повышение устойчивости, а, следовательно, и управление состоянием приконтурного массива возможно за счёт правильного выбора параметров свода и сечений выработок в соответствии с особенностями напряжённого состояния конкретного массива.

Поскольку основная цель придания сводчатой формы выработкам заключается в исключении зоны растягивающих напряжений в кровле выработок, параметры свода могут быть определены на основании зависимостей, приведенных на рис. 3.11.

Однако, при явно выраженной анизотропии свойств массива окружающих пород, обусловленной структурными неоднородностями, рациональным может быть отказ от сводчатой формы сечений выработок и переход к сечениям, образованным ломаной линией (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Рациональная форма сечений горизонтальных выработок при проявлении анизотропии прочностных свойств массива пород, обусловленной структурными неоднородностями.

В этом случае оптимальная форма и параметры устойчивых сечений выбираются в соответствии с результатами анализа преобладающих систем структурных неоднородностей.

Весьма эффективным средством повышения устойчивости горизонтальных выработок является определение их оптимальной ориентации в плане относительно господствующих систем структурных неоднородностей. С этой целью по неравенствам (3.8) рассчитываются зоны возможных вывалов в кровле и стенках выработок с учётом вероятностей разрушений по конкретным системам неоднородностей (трещин) при различных положениях выработок (рис. 3.19).

Рис. 3.19. Расчётная схема к определению оптимального направления горизонтальной выработки в массиве пород с известными системами структурных неоднородностей.

Затем, сопоставляя вероятности разрушений при различных положениях выработок, выбирают ориентацию с минимальными разрушениями.

Необходимо при этом отметить, что данный подход в полной мере может быть использован для подземных сооружений различного назначения, где имеется возможность практически неограниченного манёвра направлением выработок в пространстве. Для горных предприятий и гидротехнических сооружений выбор направлений выработок обычно существенно ограничен жёсткой привязкой к параметрам рудного тела или водного объекта.

Естественное поле напряжений массива – гравитационно-тектоническое.

Вертикальные выработки.

Как следует из общих закономерностей распределения напряжений вокруг выработок, в неравно-компонентном поле напряжений (1;2) вообще, а при действии тектонических напряжений 1=Т, в частности, наиболее устойчивой формой поперечного сечения является эллиптическая. Об этом, в частности, свидетельствуют типичные формы сечений вертикальных выработок (рудоспусков) Центрального рудника ОАО «Апатит» после нескольких лет эксплуатации (рис.3.20).

Рис. 3.20. Типичная форма сечения вертикальной выработки (рудоспуска) в условиях неравнокомпонентного поля напряжений (Рудник «Центральный» ОАО «Апатит»)

При этом длинная ось эллипса должна быть ориентирована параллельно вектору напряжения Т. Для создания равномерного распределения напряжений по всему контуру выработки соотношение большой и малой полуосей эллипса (a и b) должно быть a/b=1/2.

Горизонтальные выработки.

В условиях действия в массиве тектонических напряжений 1=Т, существенно превышающих гравитационные напряжения, важную роль играет ориентация капитальных и подготовительных выработок, рассчитанных на длительный срок службы. Их рационально ориентировать в направлении, наиболее близком к направлению действия тектонических сил. В этом случае нормальные напряжения на контуре распределяются более равномерно по периметру выработки (рис. 3.21) и в направлении, нормальном к продольной оси выработки, составляют около 0,7 1, а в направлении, совпадающем с осью выработки, равны 1.

Рис 3.21. Распределение напряжений на контуре горизонтальных выработок, пройденных по направлению действия горизонтальных тектонических сил (а) и перпендикулярно к этому направлению (б).

1—горизонтальные тектонические силы; —тангенциальные напряжения n — напряжения, направление которых параллельно оси выработки.

Если же горизонтальные выработки по условиям технологии невозможно расположить в оптимальном направлении, то им целесообразно придавать шатровую форму свода (рис. 3.22), которая наиболее устойчива вследствие уменьшения размеров зоны хрупкого разрушения пород на контуре. Параметры расчетного контура сечения определяются соотношениями: m = (0,10 - 0,15)d; r = 0,75d, d' = 0,9d.

Рис 3.22. Шатровая форма свода горизонтальной выработки

а общий вид, б — схема построения расчетного контура сечения

Вообще сводчатые выработки в условиях неравно компонентного поля напряжений относительно более устойчивы, когда наибольший размер выработки расположен вдоль действия 1=Т. Однако, выбор устойчивых форм поперечных сечений горизонтальных выработок необходимо производить с учётом направления действия Т (рис.3.22). В частности, при субгоризонтальном направлении Т более устойчивы выработки с шириной больше высоты и с уменьшенным подъёмом свода, а также с шатровой формой поперечных сечений (рис. 3.23 а,в). При наклонном направлении Т более устойчивы выработки со скошенным сопряжением кровли и стенки или со смещённым положением шатровой кровли (рис. 3.23 б,г).

Рис. 3.23. Устойчивые формы поперечного сечения выработок при горизонтальном и наклонном направлении действия максимальных напряжений.

а – плоская кровля; б – кровля со скошенным сопряжением кровли со стенкой ; шатровая; г – кровля со смещённым шатром.

При субвертикальном направлении Т целесообразно применять формы поперечного сечения, показанные на рис. 3.24.

Рис.3.24. Устойчивая форма сечения выработки при субвертикальном действии максимальных напряжений.

При сбойке пересекающихся выработок места сбойки необходимо назначать в наименее напряженных зонах (рис. 3.25).

Рис 3.25. Условия сбойки пересекающихся выработок

а и б — рекомендуемые варианты, в неблагоприятный вариант; 1 горные выработки, 2 — контур зоны повышенных напряжений

При этом в зависимости от соотношения конкретных величин действующих напряжений и прочностных характеристик массива пород в выработках могут иметь место различные типы проявлений горного давления – статические или динамические.

Всё изложенное позволяет сделать общий вывод о том, что весьма эффективным средством управления состоянием массива пород вокруг вертикальных и горизонтальных выработок является выбор оптимальной формы их поперечного сечения и оптимальная ориентация сечений и самих выработок в пространстве.

3.4. Целенаправленное изменение свойств окружающего массива.

Это направление включает различные методы изменения деформационно-прочностных свойств массива окружающих пород, но большинство из них представляют собой специальные технологии проведения выработок (методы искусственного упрочнения пород вокруг выработок – тампонирование, замораживание, кессонные способы проходки, специальные методы ведения взрывных работ, проведение выработок бурением на полное сечение и др.).

Прежде всего остановимся на самых распространённых методах воздействия на приконтурный массив – методах возведения различных крепей в выработках, поскольку в настоящее время крепь горных выработок следует рассматривать как активный элемент системы “крепь—массив”, состояние которой (в том числе и напряжения в крепи) определяется в равной степени как деформационно-прочностными характеристиками массива окружающих выработку пород, так и самой крепи.

Это наглядно может быть показано на графике (рис. 3.26), где координаты точек пересечения деформационных характеристик крепи с кривой деформирования породного контура выработки определяют значения нагрузки на крепь Р и смещения и поверхности выработки и самой крепи при достижении состояния равновесия.

Рис. 3.26. Зависимости нагрузок на крепь от деформационных характеристик пород на контуре выработки и крепи.

I, II — характеристики деформирования крепей различных конструкций; III - характеристика деформирования штанговой крепи.

1,2 - характеристики деформирования пород на контуре выработки до и после установки штанговой крепи.

Р1 и Р2, u1 и u2 - соответственно давления и смещения пород на контуре выработки в зависимости от деформационных характеристик крепи и времени её включения в работу.

Очевидно, при более жестких характеристиках крепи (например, кривая III) точка пересечения на графике будет располагаться выше, а, следовательно, нагрузка на крепь будет больше.

При этом необходимо подчеркнуть, что если издавна применяемые деревянные, каменные, бетонные, железобетонные и тюбинговые крепи непосредственно не изменяют деформационно - прочностных свойств пород, окружающих выработки, а лишь в определенной степени ограничивают их деформации и предотвращают разрушение, то различные виды анкерной крепи значительно повышают предел прочности на растяжение и сцепление пород в приконтурной части массива вследствие введения в породы металлической арматуры и заполнения раскрытых трещин бетоном при железобетонных штангах (на рис. 3.26 кривая деформирования пород после установки штанговой крепи смещается вверх). Этим в первую очередь и объясняется эффективность анкерной крепи, ее быстрое и широкое распространение в горной практике.

В зависимости от характера взаимодействия крепи и пород выделяется несколько режимов (рис. 3.27).

Рис. 3.27. Схемы режимов взаимодействия крепи выработок и массива окружающих пород.

Режим: а - заданной нагрузки на крепь [R=P; l=f1(P);  l не влияет на P]; б - заданной деформации (R практически не влияет на l1): в - взаимовлияющей деформации крепи и массива [l = f (Q,R)]; г - комбинированный [l = f (P, Q, R)]. Q и R - сопротивление соответственно пород и крепи; Р вес отделившихся объемов пород; q - напряжения в массиве пород вокруг выработок.

В частном случае крепь выработки может быть загружена отделившимися от массива небольшими объемами пород. При этом смещения крепи практически не будут влиять на нагрузки на крепь. Подобный режим называют режимом заданной нагрузки (рис. 3.27 а).

Если же реактивное сопротивление крепи практически не влияет на перемещения поверхности соприкосновения крепи с породой, такое взаимодействие называют режимом заданной деформации (рис. 3.27 б). Оно характерно для участков выработок, подверженных высоким напряжениям, например в зонах опорного давления.

Наиболее часто крепи подготовительных и капитальных выработок находятся в режиме взаимовлияющей деформации (рис. 3.27 в). Смещение поверхности соприкосновения крепи с породой зависит в этом случае от сопротивления крепи.

Наконец, в практике возможны случаи, когда крепь работает в комбинированном режиме, например, одновременно в условиях взаимовлияющей деформации и заданной нагрузки (рис. 3.27 г).

Выделение основных режимов взаимодействия крепи массива пород позволяет в каждом конкретном случае определять наиболее вероятный режим работы крепи и в соответствии с этим рассчитывать и выбирать ее параметры.

Например, как показывают результаты исследований устойчивости капитальных и подготовительных выработок в условиях скальных трещиноватых массивов, крепи выработок в этом случае, как правило, работают в режиме заданной нагрузки и испытывают незначительное давление, обусловленное весом отделившихся структурных блоков или их частей, потерявших связь с массивом в результате скола или отрыва по поверхностям естественных трещин. В таких условиях крепь должна удовлетворять требованиям:

а) быть ограждающей, а не грузонесущей конструкцией, предотвращающей образование заколов и выпадение породы в выработку;

б) изолировать стенки от воздействия агентов выветривания, так как при выветривании ускоряются процессы разрушения приконтурного массива пород;

в) обеспечивать упрочнение связей между отдельными блоками массива.

Этим требованиям наиболее полно удовлетворяет комбинированная крепь из железобетонных анкеров с набрызгбетонным покрытием стенок и кровли выработок.

В случае применения крепей, способных оказывать противодавления на окружающий выработку массив (режим взаимовлияющей деформации массива и крепи, рис. 3.27 в) резко изменяются условия деформирования пород. Даже весьма небольших усилий, развиваемых распорными крепями, часто бывает вполне достаточно для того, чтобы значительно повысить прочностные характеристики массива пород вследствие перевода их из плоского напряженного состояния в объемное.

Аналогичную роль оказания противодавления на породы приконтурного массива выполняют буровые растворы при проведении и поддержании буровых скважин, которые по ряду своих характерных признаков могут служить в известном смысле моделями горных выработок. При этом весьма существенно, чтобы плотность бурового раствора, а следовательно и противодавление, оказываемое им на породы в стенках скважин, тесно увязывались с начальным полем напряжений в массиве и свойствами пород для предотвращения в приконтурном массиве возникновения растягивающих напряжений.

3.5. Основные типы крепей горных выработок и методы их расчёта.

Разработано очень много различных подходов и методов расчёта крепей горных выработок. При этом видоизменялись и совершенствовались типы и конструкции крепей, находили применение новые материалы, изменялась технология возведения крепей. Всё многообразие применяемых крепей и их методов расчёта невозможно осветить в этой лекции, да это, наверное, и нецелесообразно. В этой связи остановимся лишь на самых распространённых типах крепей выработок, особенностях их конструкций и основных принципах расчётов.

Крепи вертикальных выработок.

Для крепления вертикальных выработок – стволов шахт, восстающих и шурфов  - применяют различные материалы.

Капитальные шахтные стволы. Имеющие срок службы, равный сроку службы шахт или рудников, т.е. 50-60 лет и более. Крепят бетонной, железобетонной, а в сложных гидрогеологических условиях – стальной или чугунной крепью.

Разведочные шурфы, восстающие выработки, стволы шахт с небольшим сроком службы крепят деревом.

Капитальные шахтные стволы при бетонной, каменной, металлической (тюбинговой) крепи имеют круговую форму сечений, вертикальные выработки с деревянной крепью – прямоугольную форму. Эллиптическая или криволинейная форма может быть придана стволу в особых случаях, когда производят реконструкцию ствола и деревянную крепь заменяют каменной или бетонной.

Ствол шахты состоит из трёх основных частей – устья, собственно ствола и зумпфа.

Крепь устья выполняется усиленной конструкции, так как она нередко служит фундаментом для станка надшахтного копра.

Ствол принято разделять на отдельные звенья посредством опорных башмаков, на которые укладываются опорные венцы. Назначение опорных венцов состоит в восприятии нагрузки от веса крепи в пределах одного звена. Высота звеньев принимается 30-50 м и увязывается со стратиграфическим разрезом: опорные венцы приурочивают к более прочным породам. При деревянной крепи высоту звена принимают меньше – 5-15 м.

Деревянная крепь стволов состоит их прямоугольных венцов. Венец состоит из четырёх элементов, изготовленных из брусьев или брёвен, связанных между собой посредством той или иной врубки. Венцовая крепь подразделяется на три вида:

- венцовая крепь на стойках,

- сплошная венцовая крепь,

- подвесная венцовая крепь.

Венцовая крепь на стойках является простейшим и достаточно экономичным видом крепи, применяется для крепления шурфов различного назначения - вентиляционных, разведочных, восстающих выработок и др. (рис.3.28).

Рис.3.28. Венцовая крепь на стойках.

1 - венец, 2 - стойка, 3 - клин, 4 - затяжка, 5 - основной венец, 6 - вруб для заделки основного венца, 7 - расстрел, 8 - вандрут, 9 - проводник, 10 - забутовка.

В деревянной конструкции крепи выделяют элементы, относящиеся к собственно крепи (венцы, стойки, затяжки), и элементы армировки (вандруты, расстрелы, проводники, лестничные полки и лестницы). Расстрелы в совокупности с вандрутами являются усиливающими элементами крепи и служат в основном для подвески проводников – направляющих для подъёмных сосудов.

Венцы устанавливают с интервалом 0.5-1.5 м в зависимости от крепости боковых пород. Между венцами устанавливают несколько стоек, фиксирующих взаимное положение. Стойки устанавливают обязательно по углам и дополнительно по одной-две стойки между длинными элементами крепи. Пространство между венцами затягивается обаполами или досками.

Сплошная венцовая крепь. Применяется в тех же выработках, что и венцовая крепь на стойках, но только при более слабых породах или при более продолжительном сроке службы выработки. Венцы укладываются один на другой всплошную в виде сруба. Армировка при сплошной венцовой крепи ничем не отличается от армировки при венцовой крепи на стойках.

Подвесная венцовая крепь (рис. 3.29). Отличается от крепи на стойках тем, что её можно возводить в направлении сверху вниз. Венцы подвешивают один к другому с помощью крючьев, на концах которых имеется резьба. При этом обеспечивается достаточная жёсткость всей конструкции.

Рис. 3.29. Подвесная венцовая крепь.

1 – венцы, 2 – стойки, 3 – крючья для подвески, 4 – затяжки, 5 – основной венец, 6 – гайки подвесок, 7 – расстрелы, 8 – проводники.

При расчётах каких-либо конструкций на прочность можно выделить несколько этапов:

  •  Первым этапом всегда являются определения возможных нагрузок.
  •  Второй этап - вычисления напряжений в отдельных элементах конструкций.
  •  Третий этап - сравнение величин возможных напряжений с предельными деформационно-прочностными параметрами материала конструкций.
  •  Четвёртый этап – подбор размеров элементов конструкций таким образом, чтобы был обеспечен определённый запас в соотношениях действующих напряжений и прочностных характеристик материала конструкций.

В конкретных методах расчёта часто эти этапы совмещаются или представляются в неявном виде, но, так или иначе, они всегда присутствуют и могут быть выделены.

Не являются исключением и методы расчёта деревянной венцовой крепи вертикальных стволов. При этом расчёты выполняются для наиболее нагруженного сечения, в данном случае для максимальной глубины ствола. В качестве возможных максимальных нагрузок принимается наибольшее давление боковых пород.

При этом можно считать, что элементы венца работают, главным образом, на изгиб, как балки на двух опорах. Полагая нагрузку на балку равномерно распределённой, из уравнения изгибающего момента находят параметры – длину и размеры поперечных сечений элементов венца.

Дополнительно элементы опорного венца рассчитываются на смятие опорной поверхности и поперечный изгиб от приходящегося на него веса звена крепи, и также устанавливаются размеры поперечных сечений опорных венцов.

При расчёте подвесной крепи производят также расчёт подвесок из условия удержания веса звена крепи.

Бетонная крепь имеет преобладающее распространение при сооружении стволов шахт. Крепь из монолитного бетона представляет собой цилиндр с толщиной стенки от 200 до 600 мм и внутренним диаметром от 4.5 до 8 м. Благодаря плотному контакту с боковыми породами бетонный цилиндр работает в сравнительно благоприятных условиях нагружения и поэтому обладает высокой грузонесущей способностью 30-40 тс/м2. Бетонная крепь долговечна, обладает хорошими аэродинамическими качествами, огнестойка.

Подбором соответствующего состава и применением специальной технологии возведения, включающей тампонаж боковых пород, можно получать крепи с повышенной водонепроницаемостью.

Марка цемента выбирается исходя из ожидаемых нагрузок и с учётом принятой технологии возведения крепи.

При возведении крепи снизу вверх в неподвижной опалубке марка берётся не ниже 150.

При возведении сверху вниз вслед за подвиганием забоя в специальной створчатой опалубке пребывание бетона в опалубке обычно составляет всего несколько часов, поэтому требуется применение быстротвердеющего бетона марок 200-300. Благодаря хорошему сцеплению бетона с породными стенками, отличающимися значительными неровностями, обычно отпадает необходимость в опорных венцах.

Однако при сложных горно-геологических условиях опорные венцы являются необходимым элементом крепи. Расстояния между опорными венцами в зависимости от конкретных условий принимают в пределах 30-50 м.

При сооружении бетонной крепи, а также во время её эксплуатации вредное влияние на качество бетона оказывает вода, особенно, если она является агрессивной. Вода вымывает из бетона вяжущий материал, а потому при наличии больших притоков предусматривается предварительный, а иногда и последующий тампонаж боковых пород.

Каменная крепь - из кирпича, бетонитов – была до недавнего времени довольно широко распространена, но в настоящее время её применяют редко.

Каменную крепь возводят снизу вверх звеньями.

Если каменную крепь возводят из кирпича, то её толщина обычно составляет полтора-два с половиной кирпича (38-64 см). Закрепное пространство необходимо забучивать породой и заливать жидким раствором. Если крепь - из бетонитов, то их размеры увязывают с расчётной толщиной крепи и потому укладывают в один ряд. Благодаря большим размерам бетонитов, в крепи меньше швов, её непроницаемость выше, трудоёмкость возведения ниже.

Преимуществом каменной крепи из бетонитов является более высокое качество бетона благодаря лучшей технологии их приготовления на полигоне по сравнению с монолитным бетоном непосредственно в стволе. Кроме того, при возведении каменной крепи не требуется опалубки, а время её полного ввода в работу – практически сразу же после возведения.

Недостатками каменной крепи являются высокая стоимость, большая доля ручного труда и практическое отсутствие средств механизации.

Монолитную железобетонную или сборные крепи применяют при наличии неравномерных или высоких нагрузок, которые могу встретиться в особо сложных горно-геологических условиях, например, при крутом залегании пород, при пересечении стволом горизонтов с напорными подземными водами, в условиях активных деформаций боковых пород и др.

Монолитная железобетонная крепь сооружается с двумя рядами рабочей арматуры, располагаемой горизонтально на расстоянии по высоте 15-25 см, по вертикали ряды распределительной арматуры укладывают с интервалом 30-40 см (рис. 3.30). Наилучшей рабочей арматурой является горячекатаная сталь периодического профиля размером 12-30 мм. Бетон используется высокой марки (300 и выше) с высокой пластичностью.

Рис.3.30. Крепь из монолитного железобетона.

Крепь из монолитного железобетона – дорогая, отличается большой трудоёмкостью при возведении, поэтому с конца 50-х годов более широкое распространение в практике шахтного строительства получила сборная крепь из железобетонных тюбингов. Широкое распространение получили два типа ребристых железобетонных тюбингов – тюбинги ВНИИОМШС и СТК, которые отличаются друг от друга весом и конструктивными деталями (рис. 3.31), а также чугунные тюбинги.

Рис. 3.31. Железобетонные тюбинги конструкции ВНИИОМШС (а) и СТК (б).

Сцепление тюбингов с породами окружающего массива обеспечивается за счёт тампонажного раствора, нагнетаемого в закрепное пространство по мере сооружения ствола. Гидроизоляция швов производится путём чеканки их раствором из расширяющегося цемента или нанесения на стыкуемые поверхности слоя специальной мастики.

В 60-х годах применение сборных крепей для вертикальных стволов сократилось, т. к. было вытеснено технологией монолитного бетона со спуском бетона по трубам и применением створчатой опалубки.

Для стволов, находящихся в зоне активных деформаций боковых пород, в частности, при осушении месторождений или при воздействии очистных работ, применяют многослойные крепи. При этом для нормальной работы крепи необходимо, чтобы крепи не имели жёстких связей с деформирующимся массивом, а могли бы деформироваться в соответствии с возникающими усилиями без разрушения конструкций. С этой целью применяют так называемые свободные или скользящие крепи, особенностью которых является наличие в конструкции слоя вязкого или сыпучего заполнителя, отделяющего внутреннюю несущую часть крепи от массива пород или же от внешней части крепи, жёстко связанной с массивом.

Внутренняя грузонесущая конструкция выполняется из тюбингов или железобетона, наружный цилиндр – из бетона, кирпича, бетонитов.

Подобные конструкции применяют за рубежом, однако в нашей стране они пока не получили распространения.

Наряду со скользящими конструкциями крепей для стволов в условиях деформирующихся массивов имеются предложения по организации в стволах специальных узлов податливости в местах ожидаемых максимальных деформаций.

В отношении методов расчёта бетонных, железобетонных и тюбинговых конструкций крепей необходимо отметить следующее.

Ко всем этим типам крепей, несмотря на их различия, фактически может быть применена одна расчётная схема – кольцо, загруженное той или иной нагрузкой. В простейших случаях равномерно распределённой нагрузки используют известную формулу Лямэ:

                  [σсж]

D = R (√--------------- - 1),                                                                         (3.10)

               [σсж] – 2 р

где D – искомая толщина крепи, см; R – радиус ствола в свету, см; [σсж] – предел прочности материала крепи, кгс/см2; р – расчётное напряжение, обусловленное давлением боковых пород на крепь, кгс/см2.

При расчётах варьируют обычно материалом крепи с разными прочностными показателями таким образом, чтобы получить толщину крепи в пределах 300-500 мм. Так при пересечении стволом достаточно устойчивых пород можно принять невысокую марку бетона при желаемой толщине крепи. В случае встречи более слабых при дальнейшем продвижении ствола пород вместо увеличения толщины крепи, по соображениям технологии более целесообразно перейти на бетон более высокой марки.

Вообще же следует отметить, что в связи с тем, что в настоящее время достаточно сложно прогнозировать величины ожидаемых нагрузок на крепи стволов со стороны массива вмещающих пород, расчёты крепей стволов часто носят формальный характер и содержат элементы субъективизма.

Об этом, например, свидетельствует тот факт, что на рудниках Кольского полуострова пройдено большое количество капитальных вертикальных выработок, в которых используются, практически, все виды крепей – деревянные, монолитный бетон, железобетонные и чугунные тюбинги, в то время как горно-геологические условия представлены скальными массивами с достаточно высокой прочностью слагающих пород, интенсивно ослабленных структурными неоднородностями различных порядков и с различным естественным напряжённым состоянием. Отмеченные особенности скальных массивов не в полной мере учитывались в принятых проектных решениях, что привело во многих случаях к назначению крепей неоптимальных конструкций, в частности, с излишним запасом прочности.

Крепи горизонтальных выработок.

Рассмотрим основные типы крепей горизонтальных горных выработок и методы их расчёта на примере практической деятельности рудников ОАО «Апатит».

Горно-геологические и геомеханические условия работы рудников ОАО «Апатит» отличаются большой сложностью, здесь находят применение, практически, все виды крепей, применяемые в настоящее время в горной промышленности. Кроме того, проведенный на подземных рудниках ОАО «Апатит» комплекс исследовательских и опытно-промышленных работ по изысканию нетрудоёмких, надёжных и эффективных способов и средств крепления и поддержания горных выработок позволил сформулировать и реализовать современные подходы к вопросам крепления на основе представлений о иерархично-блочном строении массивов пород. Главным направлением при этом являлось максимальное использование собственной естественной несущей способности массива пород, обусловленной в большой степени связями по контактам структурных блоков и, как результат, применение оптимальных видов крепи, в частности, значительное расширение области применения облегчённых крепей. Исходя из этого, опыт эксплуатации рудников ОАО «Апатит», в том числе, крепления и поддержания горных выработок обладает максимальной степенью общности.

На рудниках ОАО «Апатит» в настоящее время находят следующие способы крепления и поддержания горных выработок:

1. Деревянная и дерево - металлическая крепь.

  •  подвесная крепь деревянная;
  •  дверной оклад неполный с деревянной затяжкой и/или забутовкой.
  •  рамная металлическая крепь с деревянной затяжкой.

2. Бетонная и железобетонная крепь.

  •  монолитный бетон;
  •  набрызг-бетон;
  •  полимерцементный набрызг-бетон;
  •  армированный набрызг-бетон.

3. Анкерная крепь.

  •  железобетонная штанговая крепь;
  •  сталеполимерная штанговая крепь;
  •  комбинированная крепь: штанги + металлическая сетка;

4. Смолоинъекционное упрочнение.

Рассмотрим последовательно условия применения, конструктивные особенности, методы расчёта и технологию возведения каждого из перечисленных видов крепи.

1. Деревянная и дерево - металлическая крепь.

Деревянную крепь целесообразно применять для поддержания пород в раздробленных окисленных зонах, а также в других случаях, когда использование упрочняющих типов крепи по технико-экономическим причинам нецелесообразно.

Подвесная деревянная и деревометаллическая крепь может применяться в сильнотрещиноватых, раздробленных породах при наличии устойчивых стенок выработки.

Металлическая крепь с деревянной затяжкой обладает высокой несущей способностью, что расширяет область ее применения по сравнению с деревянной крепью.

Дерево применяется в качестве грузонесущих элементов крепи (стойка, верхняки), затяжки, забутовки и для вспомогательных целей (опалубка для возведения бетонной крепи). Для возведения крепежных рам применяются бревна из хвойных пород. Для затяжки и забутовки может применяться подтоварник, обаполы и бревна.

Технологические особенности возведения деревянных и деревометаллических крепей:

Крепежные рамы устанавливаются всплошную или вразбежку. При креплении вразбежку расстояния (L) между рамами при фиксированных размерах верхняков (диаметре d при круглом сечении), или размеры верхняков при фиксированном шаге установке рам определяют по формулам вида (3.11) и (3.12) для расчёта балочных конструкций:

    К d3 [σ]и

L=-------------                                                                                        (3.11)

      lн В2

           lн В2 L

d3=N--------------                                                                                    (3.12)

              [σ]и

Здесь К и N – некоторые коэффициенты, В – пролёт выработки, lн – величина нарушенной зоны, [σ]идопустимое напряжение на изгиб материала верхняка (для сосны [σ]и = 10 МПа, для стали – 160 МПа)

Параметры нарушенной зоны устанавливаются путём инструментальных измерений в выработках или расчётом по данным изучения трещиноватости, категории выработки и её размеров.

Стойки крепи должны устанавливаться на основании, очищенном до скалы. В сыпучих породах стойки устанавливаются в лунки, глубина которых должна быть не менее 10 см.

Установленная рама расклинивается с боковыми породами деревянными клиньями. В тех случаях, когда допущены значительные вывалы, жесткость рамы обеспечивается с помощью металлических скоб.

На верхняки крепи устанавливается всплошную затяжка из обаполов или подтоварника. Пространство между затяжкой и кровлей выработки забучивается подтоварником или бревнами. В слабоустойчивых породах необходимо производить затяжку и забутовку также и боков выработки.

Возведение металлической крепи отличается от возведения деревянных рам способом соединения верхняка со стойками. Устанавливаемые стойки целесообразно скреплять металлическими стяжками с ранее установленными рамами. Это облегчает монтаж крепи, а в дальнейшем повышает жесткость всей системы.

Вместо металлических стоек в исключительных случаях стенки выработки могут быть закреплены бетоном, на который устанавливаются металлические верхняки. Такой вид крепи называется комбинированным из бетонных стенок и металлических верхняков с затяжкой и забутовкой деревом.

Чтобы исключить деформации косого изгиба при применении в качестве верхняков металлических балок из двутавра или швеллера, верхняки между собой распираются.

В выработках находят также применение подвесные (потолочные) виды крепи, которые состоят из железобетонных штанг, закрепляемых в стенках и кровле выработок, и металлических подхватов или деревянных.

Пространство между подхватами или верхняками и кровлей выработки забутовывается деревом.

Глубина закрепления железобетонных штанг в массиве определяется паспортом крепления и должна быть не менее 1 м.

2. Бетонная и железобетонная крепь..

Монолитная бетонная и железобетонная крепь обладает высокой несущей способностью, долговечна, огнестойка и может применяться в любых горно-геологических условиях. Рациональная область применения - выработки днища блоков, пройденные в окисленных зонах и зонах дробления.

Для производства бетонных работ в подземном руднике можно использовать портландцементы (ГОСТ 10178-76) или быстротвердеющие глиноземистые цементы (ГОСТ 969-77). Марка цемента должна быть не ниже 300. Если бетон предназначен для заполнения пустот или только для придания конструктивным элементам заданной формы, то марка бетона может быть снижена до М 100.

Для приготовления бетона в качестве крупного и мелкого заполнителя можно использовать щебень и отсевы дробления, получаемые из пустых пород. Применение бедных руд (содержание Р2О5 не выше 10%) допускается только для производства мелкого заполнителя. Богатые апатитовые руды не могут быть использованы в качестве мелкого и крупного заполнителей.

При ручной укладке бетона фракция щебня должна находиться в пределах 5-70 мм, а при механизированной укладке с помощью пневмобетоноукладчиков 5-30 мм. В качестве бута при ручной укладке могут применяться куски породы размерами на 10 см меньше расстояния от опалубки до стенки. Укладка бута в свод бетонной крепи запрещается.

Толщину бетонного крепления можно определить по формуле:

                         Q

Δ0=5.1 Кз R √ -------         м,                                                                            (3.13)

                        [σ]c

где Q – нагрузка на крепь (кгс/м2), отнесённая к 1 м2 выработки: Q = 0.5 ρ lн (при равномерно распределённой нарушенной зоне) и Q = 1/3 ρ lн(при параболически распределённой нарушенной зоне), ρ – объёмный вес пород, кгс/м3; lн – размеры нарушенной зоны м.

      R – полупролёт выработки, м; [σ]c – предел прочности бетона на сжатие, марка бетона, кгс/м2.

      Кз – коэффициент запаса прочности крепи (для буродоставочных штреков или ортов Кз = 1.0, для откаточных, вентиляционных и материально-ходовых штреков или ортов Кз = 1.5, для скреперных штреков или ортов Кз = 1.7.

Толщина бетонной крепи должна быть не менее 0.5 м для скреперных и буродоставочных, не менее 0.4 м для откаточных и не менее 0.3 м для материально-ходовых и вентиляционных выработок.

Для сокращения сроков схватывания бетона применяются ускорители твердения (в % от массы цемента): хлористый кальций - 3-5%. жидкое стекло - 2-5%, поташ - 1-3%, хлористый натрий - 2-4% и др.

Качество подготовки выработки для возведения бетонной (железобетонной) крепи контролируется участковым маркшейдером. Отклонения в меньшую сторону, вызывающие уменьшение толщины бетонной обделки, допускаются на отдельных участках не более 5 см. допускаемые отклонения в большую сторону регламентируются в зависимости от назначения выработки и условий выполнения бетонных работ.

Опалубка должна быть строго привязана к горизонтальной в вертикальной осям выработки. Она состоит из грузонесущих элементов (стоек и кружал) и обшивки. Грузонесущие элементы устанавливаются через 0.8-1.0 м и должны быть надежно раскреплены, чтобы исключить смещение крепи. Элементы обшивки должны плотно прилегать друг к другу, чтобы исключить вытекание цементного молока.

В окисленных породах для основания под бетонную крепь должны быть проделаны углубления на 20 см ниже подошвы выработки или дна водосточной канавки.

Бетонирование стен должно производиться участками длиной не более 5 м. Бетонирование сводов на каждом участке должно производиться симметрично от пяты к замку, заходками не более 2 м при ручной укладке и 4-5 м при укладке с помощью бетоноукладчика. Перед началом нового цикла бетонирования поверхность затвердевшего бетона должна быть обмыта и удалены отслоившиеся куски породы.

При ручной укладке бетонная смесь должна быть тщательно уплотнена при помощи пневматических или электрических вибраторов. При механической укладке уплотнения не требуется.

Укладка бетона при температуре ниже +4°С должна производиться с обогревом, на быстротвердеющем цементе или с использованием ускоряющих добавок.

Максимальная дальность подачи бетона с помощью пневмоукладчиков по горизонтали составляет 150 м, по вертикали - 15 м.

При работе бетоноукладчика в выработке, имеющей сквозной проход, с противоположной стороны подачи бетона должен быть установлен аншлаг “Стой! Хода нет”. Подача сжатого воздуха в бетоноукладчик разрешается при удалении людей от места укладки бетона на расстояние не менее 10 м.

При обнаружении деформаций или смещения опалубки укладка бетона должна быть немедленно прекращена. Опалубка должна быть исправлена под руководством горного мастера до начала схватывания бетона. Опалубка демонтируется не ранее чем через 7 дней после окончания укладки бетона.

Бетонная смесь для возведения крепи может приготовляться на поверхностных и подземных бетонных узлах, а при небольших объемах работ - на месте возведения крепи.

Если в процессе эксплуатации в бетонной крепи произошло образование трещин, то за этими участками устанавливается постоянное наблюдение. В тех случаях, когда трещины с течением времени расширяются и может произойти обрушение, эти участки перекрепляются

Набрызг-бетонная крепь может применяться в выработках, пройденных в устойчивых и среднеустойчивых породах. Минимальная толщина набрызг-бетона должна быть не менее З см, а на участках динамических проявлений горного давления - не менее 10 см. Набрызг-бетонная крепь может быть усилена за счет предварительной установки штанг или армирования слоя набрызг-бетона.

Набрызг-бетон может применяться для ремонта бетонной и восстановления набрызг-бетонной крепи.

При полном соблюдении технологии набрызг-бетон имеет высокую прочность при сжатии ([σ]с = 2ОО÷350 кгс/см2), хорошее сцепление с породами (τ = 12-30 кгс/см2) и при схватывании создает единую систему “крепь-порода”.

Нанесёние набрызг-бетона производится специальными машинами. Поверхность выработки, подлежащая креплению набрызг бетоном, должна быть тщательно промыта напорной водой. Расстояние от сопла до закрепляемой поверхности выработки должно быть в пределах 0.8-1.5 м. Во всех случаях нужно стремиться, чтобы ось сопла была перпендикулярна закрепляемой поверхности выработка. 5.6.10. Для получения равномерного слоя набрызг-бетона сопло при работе должно совершать круговые движения.

Для возведения набрызг-бетона состав цементно-песчаной смеси должен быть при марках цемента до 400 - Ц:П = 1:3, свыше 400 - Ц:П = 1:4, а свыше 400- Ц:П = 1:2 по весу.

Цементно-песчаные смеси для набрызг-бетона приготовляются растворомешалкой или вручную. Сухая смесь должна быть использована в течение 4 ч с момента приготовления.

Регулирование подачи воды в сопло производится вентилем для получения необходимой консистенции бетона. При недостаточном смачивании получается большое количество отскока, а при излишнем смачивании бетон на стенках «оплывает».

Толщина набрызг-бетонной крепи рассчитывается по формуле:

                Qобщ

Δ=0.5 √ -------         м,                                                                            (3.14)

               [σ]р

где [σ]р - расчетная величина сопротивления набрызг-бетона и армированного фиброй набрызг-бетона осевому растяжению (для проектных марок набрызг-бетона 300, 400, 500 соответственно 120, 140, 160 тс/м2 при наличии армирования и 100, 120, 140 тс/м2 при отсутствии армирования).

Набрызг-бетон наносится слоями на стенки выработки толщиной не более 2-З см, на кровлю - 1.5-2 см, с таким расчётом, чтобы вес нанесенного материала не превышал силы сцепления его с породой. При применении обычного портландцемента слои повторно наносятся через 18-20 ч. При применении добавок ускорителей схватывания бетона последующие слои набрызг-бетона наносятся в зависимости от рекомендаций, указанных в инструкциях по применению этих добавок.

Крепь из набрызг-бетона возводится на стенках выработка в направлении снизу вверх, а на своде - в направлении от пяты к замку свода.

Крепление в местах, где наблюдается капеж воды, должно производиться с применением быстротвердеющих цементов или добавок - ускорителей схватывания бетона.

Полимерцементный набрызг-бетон на основе стабилизированного синтетического латекса по сравнению с обычным набрызг бетоном обладает повышенным сцеплением с горной породой и снижает потери материала в отскок в 2-3 раза.

Для приготовления водолатексной эмульсии используется герметичная емкость, в которой стабилизированный (в заводских условиях или перед его использованием) синтетический латекс перемешивается с водой до получения раствора однородного состава. Содержание латекса в водном растворе по отношению к массе цемента в сухой набрызг-бетонной смеси составляет 2%.

Водолатексная эмульсия из емкости подается к соплу набрызг-бетонной установки с помощью насоса.

Армированный набрызг-бетон, состоит из цементно-песчаной смеси и произвольно расположенных металлических или других типов волокон (фибр). Применение армированного набрызг-бетона (фибробетона) позволяет повысить сейсмостойкость крепи и ее сопротивляемость ударным нагрузкам. В состав смеси армированного набрызг-бетона входит: цемент марки не ниже 300 с расходом 300-400 кг/м3, заполнитель с постоянным гранулометрическим составом при крупности зерен не более 12 мм; фибра до 5-8% от массы цемента.

Особых отличий в технологии нанесения традиционного и армированного набрызг-бетона нет. Наиболее предпочтителен для нанесения армированного набрызг-бетона «мокрый> способ.

При использовании фибробетона рекомендуется первый выравнивающий слой наносить без фибры. Второй несущий слой наносится с фиброй на еще не схватившийся первый слой. При необходимости, в последнюю очередь формируют изолирующий слой без фибры. Интервал между нанесением слоев определяется практически, исходя из сроков схватывания бетонной смеси.

3. Анкерная крепь.

Железобетонная и сталеполимерная штанговая крепь (СПШ) обладает высокой несущей способностью и надежностью применения. Этот вид крепи может применяться в качестве временной или постоянной, за исключением участков интенсивных динамических проявлений горного давления, окисленных и разрушенных зон и обводненных участков, когда поступающая из шпуров вода способна размыть цементно-песчаный или полимербетонный раствор.

В практике работы рудников применяются железобетонные штанги различных конструкций: без опорных плит, с опорными плитами, с высаженной головкой или с резьбой и гайкой и др.

При явно выраженной слоистости пород, когда разрушение ее происходит от нарушения связей между слоями, шпуры под штанги следует располагать вкрест простирания слоев.

Заполнение шпуров цементно-песчаным раствором производится пневмонагнетателем. Шпуры должны полностью заполняться цементно-песчаным раствором.

Цементно-песчаная смесь должна быть однородной по цвету массы, её необходимо использовать в течение 1 ч с момента приготовления. Запрещается применять смесь с попавшим в нее маслом, солидолом и различными органическими примесями.

После заполнения 10-12 шпуров раствором в них вводятся стержни штанг.

Стержни штанг изготавливаются из горячекатаной арматурной стали и периодического профиля диаметром 12-16 мм. Для изготовления стержней железобетонных штанг можно также применять гладкую круглую сталь и обезжиренные пряди стальных канатов.

Если железобетонные штанги применяются в сочетании с металлическими подхватами, то гайки на стержне штанги должны быть затянуты в течение 5-7 дней после их установки.

Сталеполимерная штанговая крепь характеризуется быстрыми сроками вступления в работу. Проведение взрывных работ в непосредственной близости от СПШ практически не снижает их несущую способность даже через несколько часов после возведения.

В комплект сталеполимерной штанги (СПШ) входят арматурный стальной стержень, ампулы с компонентами быстротвердеющего полимербетона и опорная плитка. В качестве арматуры СПШ применяют сталь периодического профиля диаметром 12-16 мм. Ампула представляет собой полиэтиленовый пакет длиной 250-300 мм, диаметром 32-38 мм. Внутри пакета находится синтетическая смола, перемешанная с наполнителем, и пробирка с отвердителем и катализатором. Ампулы изготавливаются на специальной установке и доставляются к месту производства. Досылка ампул с быстротвердеющим полимербетоном в шпур осуществляется при помощи арматурного стержня. В каждом шпуре в соответствии с паспортом крепления размещается от 2 до 5 ампул.

Для предотвращения вытекания полимербетонной смеси из шпура в момент ее перемешивания, на арматурный стержень устанавливается манжета из резины, полиэтилена или другого эластичного материала.

Бурение шнуров производится в строгом соответствии с паспортом крепления. Допустимое отклонение фактического расстояния между штангами от проектного в пределах 15%. Длина шнура под СПШ должна быть больше активной длины штанги на 2-3 см. Диаметр шнура под СПШ составляет 41-43 мм.

При установке штанг стержню сообщается вращательно-поступательное движение специальным устройством, включающим пневматическое сверло на пневмоколонке. Допускается установка штанг телескопным перфоратором через специальную насадку, расположенную на буровой штанге. При этом подачу арматурного стержня следует производить с минимальным усилием.

При применении СПШ в сочетании с металлической сеткой ее навешивают не ранее чем через З ч после установки штанг.

Расчет штанг на рудниках ОАО «Апатит» производят по схеме, согласно которой штанги прикрепляют породу, расположенную в пределах зоны возможного обрушения к устойчивой зоне породного массива. При этом штанги рассчитываются на восприятие нагрузок, вызванных весом пород в кровле и стенках выработки. Следует заметить, что это наиболее распространённый, но не единственный подход к расчётам параметров штангового крепления. Недостатком этого подхода является неучёт активного воздействия штанг на свойства приконтурного массива пород, в частности, существенное изменение сцепления по контактам структурных блоков.

В рассматриваемом случае длина штанг (м) определяется по формуле:

Lш = 1.3 lн + lh, м,                                                                       (3.15)

где lh - длина выступающей из шпура части штанги, зависящая от ее конструкции, м; lн – размеры нарушенной зоны м.

Расстояние между штангами при квадратной сетке их расположения, м:

                 Р

а=0.63 √ -------         м,                                                                    (3.16)

               Q mу

где Р- несущая способность штанговой крепи; mу - коэффициент условий работы штанговой крепи; mу = 1 - для штанг с предварительным натяжением; mу = 2 - для штанг без предварительного натяжения.

В качестве расчетной несущей способности штанги Р принимается наименьшее из значений, полученных по условиям разрывного усилия стержня Рс, прочности его закрепления в шнуре Рδ и сдвига закрепляющего раствора относительно стенок шнура Рз.

Несущая способность стержня, кгс:

Рс = FНТ RР ,                                                                          (3.17)

где FНТ - площадь ослабленного сечения стержня, м; RР - расчетное сопротивление материала стержня растяжению, кгс/м2.

Несущая способность стержня из условия прочности его закрепления в шнуре, кгс:

Рδ = π dст τ1l lз,                                                                       (3.18)

где dст - диаметр стержня, м; τ1 - удельная прочность закрепления стержня, кгс/м2; lз - длина заделки = 0.3 lн, м.

Несущая способность замка штанги из условия его сдвига относительно стенки шнура, кгс:

Рз = π dш τ2 lз,                                                                        (3.19)

где dш - диаметр шпура, м; τ2 - удельное сопротивление сдвигу относительно стенок шнура, кгс/см2.

Значения τ1 и τ2 в формулах (3.18) и (3.19) принимаются по специальным таблицам. Для полимербетона в суточном возрасте значения τ1 и τ2 составляют соответственно 11.0 и 15.0 МПа.

Для комбинированной крепи из железобетонных штанг с металлической сеткой величина нагрузки на сетку от возможного локального вывала между железобетонными штангами определяется по формуле:

Q = 0.4 а3 ρ tgφ, тс,                                                                          (3.20)

где а - расстояние между железобетонными штангами при квадратной сетке их расположения, м; φ - угол внутреннего трения пород и руд.

Диаметр проволоки сетки рассчитывается по формуле:

D =О.ОО6 а √ Q, м.                                                                         (3.21)

По диаметру проволоки и принятой ячее выбирается сетка и определяются остальные её параметры.

Толщина набрызг-бетона в комбинированной крепи с железобетонными штангами и металлической сеткой определяется:

δ = О.О65 а Q см,                                                       (3.22)

Если по расчету получится, что δ <З см, то принимается для исполнения З см.

4. Смолоинъекционное упрочнение.

Смолоинъекционное упрочнение позволяет полностью предотвратить вывалообразование пород по трещинам и для этих условий применимо как самостоятельный вид крепи. Непременным условием смолоинъекционного упрочнения пород является наличие фильтрующих трещин вблизи контура выработки.

Смолоинъекционное упрочнение приконтурной области массива горных выработок (СИУ) включает в себя следующие технологические операции:

- осмотр состояния установки и рабочего места;

- производство реометрических измерений;

- подготовка компонентов упрочняющих растворов к нагнетанию;

- испытание оборудования;

- нагнетание упрочняющего раствора;

- ежесменный профилактический осмотр и техническое обслуживание установки.

Для упрочнения породного массива используются любые двухкомпонентные системы со следующими характеристиками:

- начальная динамическая вязкость смеси не более 0.1 (кгс)/см2;

- время потери текучести не менее 15 с;

- адгезионная прочность не менее 10 кгс/см2.

Для упрочнения апатитовых руд и окисленных пород рекомендуются карбамидные растворы на основе смолы КФ-Ж (ГОСТ 14231-78) и хлорного железа технического (ГОСТ 11159-76).

С целью повышения срока годности рекомендуется хранить карбамидную смолу в условиях низких положительных температур (+6...+ 10°С) в герметично закрытых емкостях. Хранение хлорного железа следует осуществлять в условиях, исключающих возможность прямого контакта с водой.

Рекомендуемые соотношения компонентов, вес.%:

- смола - 70-74%;

- вода- 19-17%;

- техническое хлорное железо - 7-13%.

Для иньектирования бурятся шпуры диаметром 41-43 мм, пересекающие плоскости основных систем трещин. После бурения обязательно производится промывка на всю глубину шпуров напорной струей воды.

Глубина инъекционных шнуров (м) выбирается по соотношению:

Lм = О.8+О.О6 Iт,                                                        (3.23)

где Iт - интенсивность пологопадающей мелкоблоковой системы трещин, шт/м.

Средний радиус распространения упрочняющего раствора в массиве пород зависит от интенсивности трещиноватости и в условиях апатито-нефелиновых месторождений составляет 0.5-07 м. Угол наклона шнуров принимается в общем случае по нормали к пологопадающей мелкоблоковой системе трещин, допустимое отклонение по величине угла 1О°.

3.6. Основные типы крепей подземных сооружений.

К подземным сооружениям относятся тоннели различного назначения – транспортные, гидротехнические; станции метрополитенов, камеры подземных гидроэлектростанций, различного рода подземные сооружения бытового и специального назначения. Поперечные сечения выработок подземных сооружений колеблются в весьма широких пределах – от единиц до нескольких сотен квадратных метров. Отличительной особенностью этих выработок является весьма долгий, а часто неопределённо большой срок службы.

В практике тоннеле- и метростроения крепи выработок принято называть обделками.

Назначение обделки, практически, такое же как и крепи выработок, - воспринимать нагрузки со стороны окружающих пород и оградить выработку от попадания в неё породы, воды и газов из окружающего массива.

Для подземных сооружений используются все ранее рассмотренные типы крепей, поэтому отличия здесь могут быть лишь в технологии возведения и в удовлетворении дополнительным требованиям, отражающим особенности эксплуатации сооружений.

Конструкция обделки, независимо от назначения подземного сооружения, состоит из трёх основных элементов: свода, стен, преимущественно криволинейных, лотка – плоского или же в виде обратного свода. В качестве примера на рис. 3.32 приведены конструкции железнодорожного тоннеля для различных горно-геологических условий.

Рис. 3.32. Конструкция обделки железнодорожного тоннеля.

а – на один путь в крепких породах; б – на два пути в породах средней крепости; в – на один путь в неустойчивых породах.

Методы расчёта также в своих принципах мало отличаются от методов, применяемых для расчёта крепей горных выработок. В основном эти отличия сводятся к учёту каких-либо специфических воздействий – давления воды в случае напорных гидротехнических тоннелей, учёта вероятных внешних воздействий как природного (типа землетрясений), так и техногенного происхождения, в том числе от оружия массового поражения.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

9068. Проблема универсалий и варианты ее решения 18.83 KB
  Проблема универсалий и варианты ее решения Универсалии-понятия, идеи. Универсалия (от лат. universalis - общий) - термин средневековой философии, обозначающий общие понятия. Проблема универсалий восходит к философским идеям Платона и Арист...
9069. Доказательства бытия Бога. Ансельм Кентерберийский и Фома Аквинский 18.15 KB
  Доказательства бытия Бога. Ансельм Кентерберийский и Фома Аквинский. Ансельм Кентерберийский (11 век) Он фактически повторяет формулу Августина. Но если для Августина знание было не обязательно, то для Ансельма вера всегда стремится к пониманию. Что...
9070. Схоластическая система Фомы Аквинского 17.39 KB
  Схоластическая система Фомы Аквинского Фома Аквинский - ангельский доктор. Монах доминиканского ордена. Ему необходимо было что-то противопоставить линии Августина. Его целью было примирить Аристотеля с христианством. И ему это с блеском удало...
9071. Трактовка человека в философии Пико дела Мирандолы 21.54 KB
  Трактовка человека в философии Пико дела Мирандолы По произведению Речь о достоинстве человека. Прежде всего обращаем внимание на эпиграф Человек - свободный творец самого себя. Первое о чем рассказывает- в писании арабов некий Абдалла Сарацин...
9072. Никколо Макиавелли Государь 32.76 KB
  Никколо Макиавелли Государь Здесь фактически просто мой краткий пересказ произведения по главам. Глава I. Скольких видов бывают государства и как они приобретаются. Есть либо республики, либо государства, управляемые единовластно. Последние могут бы...
9073. Философия Рене Декарта (смысл и назначение философии, принцип методологического сомнения, сущность дедуктивного метода, учение о врожденных идеях.) 17.96 KB
  Философия Рене Декарта (смысл и назначение философии, принцип методологического сомнения, сущность дедуктивного метода, учение о врожденных идеях.) Рене Декарт (1596- 1650).Его философия- рационалистическая. Декарт- основоположник рационализма. Прот...
9074. Рационализм 17 века: основные идеи и представители 15.67 KB
  Рационализм 17 века: основные идеи и представители Основное положение рационализма: главный источник знания- идеи, т. е .мысли и понятия, изначально присущие человеку или являющиеся его врожденными способностями. Рационалисты: Рене Декарт, Г.В...
9075. Эмпиризм 17 века. Основные идеи и представители 15.87 KB
  Эмпиризм 17 века. Основные идеи и представители. Эмпиризм- направление в философии, сторонники которого считают, что в основе познаний лежит опыт. Английские эмпирики- Ф. Бэкон, Г. Гоббс, Дж. Локк. Бэкон: Рационалисты науки- философы. Муравьи- собир...
9076. Христианский предэкзистенциализм С. Кьеркегора 15.58 KB
  Христианский предэкзистенциализм С. Кьеркегора Экзистенциализм- направление философии, главным предметом изучения которого стал человек, его проблемы, трудности, существование в окружающем мире. Основателем экзистенциализма считается датский ф...