CC BY
36
© М.С. Плешко, С.А., Масленников 2009
УДК 622.674: 539.3
М. С. Плешко, С.А. Масленников
О ПРОБЛЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ КРЕПИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ В ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЕ
Рассмотрены подходы к анализу взаимодействия крепи и породного массива с учетом влияния забоя вертикального ствола. Отмечена сложность их использования в слабых породах при комбинированной конструкции крепи. Сделан вывод о целесообразности применения численных методов.
Ключевые слова: приконтурная зона, крепь, деформирование массива, забой.
Семинар № 4
M.S. Pleshko, S.A. Maslennikov
ABOUT THE PROBLEM OF RESEARCH OF WORK TIMBERING OF VERTICAL TRUNKS IN PRIZABOYNOY TO THE ZONE
Approaches to the vzaimo-action analysis крепи and a pedigree file from uche influences of a face of a vertical trunk are considered. Complexity of their use in soft rocks is noted at combined a game-struktsii timbering. The conclusion is drawn on a tselesoob-difference of application of numerical methods.
Key words: prikonturnaya a zone, timbering, file deformation, a face
~ИЪ настоящее время имеются комплексно разработанные геоме-ханические модели совместной работы массива и крепи, которые позволяют получить описание исследуемых явлений в наиболее общей математической форме. Выбор модели основывается на изучении поведения пород в массиве и испытании образцов. Анализ выбранной модели позволяет определить оптимальный режим работы крепи, величину возникающих напряжений, прогнозировать смещения и режим работы прикон-турной зоны.
При анализе взаимодействия крепи и массива вертикального ствола чаще всего используются упругие и упругопластические модели. Последние более точно соответствуют реальным явлениям, происходящим в массиве. Упругопластическая модель предусматривает образование вокруг выработки двух зон деформаций - пластической и упругой. Нагрузки на крепь зависят от радиуса зоны пластических деформаций и величины перемещений контура сечения выработки, с ростом которых они уменьшаются [1].
Как известно, смещения породного контура можно представить в виде двух составляющих:
им=и0+и (р),
где и^(р) - смещения породного контура к моменту установления статического равновесия в системе «крепь - массив»; и - начальные смещения породного контура, соответствующие промежутку времени от обнажения породного контура до момента ввода крепи в работу; и (р) - смещения внешнего контура крепи к моменту установления статиче-
ского равновесия в системе «крепь -массив».
Впервые данное уравнение было сформулировано проф. Ф.А. Белаенко. Графическое представление данного уравнения представлено на рис. 1. Данная диаграмма равновесных состояний взаимодействия крепи с массивом содержит существенное упрощение. График зависимости представляется как результат постепенной монотонной разгрузки массива по контуру сечения выработки. В реальной ситуации разгрузка массива происходит сразу, породы смещаются, не встречая никакого сопротивления, и лишь затем в контакт с массивом вводят крепь, оказывающую возрастающее сопротивление дальнейшим смещениям. Проводимые опыты показали существенное расхождение с расчётными данными по указанной схеме.
Для устранения данного противоречия процесс смещения пород на контуре разделили на 2 периода. 1 период - начальные смещения, включающие деформации, возникающие до обнажения пород (впереди забоя), а также деформации, происходящие от момента обнажения пород, до возведения крепи, из рассмотрения исключают. Его сводят к введению корректирующего множителя
ж ^
а , который характеризует снижение
Диаграмма взаимодействия массива и крепи:
1 - диаграмма деформирования массива до наступления равновесного состояния; 2 - график характеризующий жёсткость крепи
нагрузки на возводимую крепь, по сравнению с напряжениями в нетронутом массиве (см. рис. 1). Наиболее точно, как показывает практический опыт, данный множитель определяется экспоненциальной зависимостью, полученной Д. Баудендистелом [1]:
(-1,750
а = 0,64 ехр ---------
I Г
где 1о - расстояние установки крепи от забоя; г0 - радиус выработки.
Второй период - смещения внешнего контура крепи от момента возведения, до установления статического равновесия (и(р)) определяют из анализа выбранной механической модели. Так для упругопластической модели (при условии идеальной пластичности) они составят:
С
и(р)= ГоС Ц ^ - 1
где С - сцепление пород; G - модуль сдвига пород; q - величина напряжений в массиве; P - отпор крепи.
Как уже указывалось выше, рост смещений пород до возведения крепи приводит к снижению нагрузки. Но возможность улучшения условий работы крепи за счёт этого процесса ограничена требованием отсутствия разрушения пород на контуре выработки, или развития процесса вывалообразования.
Оценка устойчивости пород по фактору вывалообразования с помощью аналитических методов весьма затруднена, а по фактору разрушения пород может быть произведена из аналитического решения плоской контактной задачи [2]. Необходимое условие устойчи-
вости массива можно представить в виде:
°е =°с = 2Л-У Н-(1 -а*)< ясж,
где X - коэффициент бокового давления пород в ненарушенном массиве; Н -глубина ствола; Лсж - предел прочности пород в массиве.
Таким образом, современное проектирование крепи должно основываться на параллельной оценке напряженно-деформированного состояния крепи и устойчивости пород с учетом особенностей из взаимодействия в призабойной зоне ствола. При проходке выработок в крепких породах, позволяющих оставлять породные стенки без крепления на длительный срок или использовать облегченные временные крепи (а* ^0), расчет параметров крепи на основании плоской контактной задачи позволяет достаточно точно выполнить данную оценку.
1. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений: Учеб. для вузов. - М.::Недра. -
1994. - 382 с.
В более слабых породах, где высота незакреплённого участка составляет несколько метров, указанная схема не позволяет учесть все особенности взаимодействия системы «крепь - массив». Особенно это касается работы комбинированных крепей, состоящих из нескольких слоев с различными свойствами и возводимых в разное время. Их взаимодействие с учетом влияния забоя выработки необходимо рассматривать в объёмной постановке геомеханической задачи. При этом математические трудности значительно возрастают, и приходится обращаться к численным методам моделирования. Их применение, особенно при рассмотрении конкретных горногеологических условий и конструкций подземных сооружений, позволит более точно спрогнозировать взаимодействие массива и пород и определить необходимые параметры крепи.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Фотиева Н. Н., Саммаль А. С. и др. Определение области применения набрызгбетон-ной крепи стволов в сочетании с анкерами. // «Шахтное строительство». - 1988. - №3. - С. 9 - 11. ЕШ
г Коротко об авторах
Плешко М.С. - доцент, кандидат технических наук,
Масленников С.А. - ассистент каф. ППГСиСМ,
Шахтинский институт (филиал) Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), siurgtu@siurgtu.ru
