CC BY
31
1993
ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОГО ГОРНОГО ИНСТИТУТА
СЕРИЯ: ГОРНОЕ ДЕЛО
ВЫП. 3
ШАХТНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 622.281
М. В. Корнилков, Ю. К. Краев
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАМНО-ЛНКЕРНОЙ КРЕПИ В ПОРОДАХ РАЗЛИЧНОЙ КАТЕГОРИИ УСТОЙЧИВОСТИ
Для обоснования параметров установки рамно-анкернон крепи горных выработок необходимо решить несколько задач: исследование на-пряженно-деформированного состояния арочной крепи в зависимости от характера приложения внешней нагрузки; определение формы и размеров зоны неупругих деформаций, зависящих от категории устойчивости горных выработок по СНиП [7J; определение на базе имеющихся данных о напряженно-деформированном состоянии крепи и массива пород зон установки усиливающих анкеров; выбор конструкции анкера, соединительного узла, определение длины анкера, обеспечивающей работу рамяо-анкерной крепи в расчетном режиме.
Решение задачи определения мест установки усиливающих анкеров в зависимости от напряженно-деформированного состояния арочной крепи при симметричном и асимметричном нагружении изложено в [5, 6]. В то же время вопрос о выборе мест установки анкеров и их длины в зависимости от конфигурации и размеров зоны неупругих деформаций достаточно подробно еще не рассматривался, хотя геомеханический аспект имеет важное значение для определения несущей способности рамно-анкерной крепи.
Согласно многочисленным шахтным исследованиям, обобщенным в [1]. известно, что максимальный размер зоны неупругих деформаций вокруг выработок, заложенных в породах I категории устойчивости по СНиП, даже с учетом дополнительной трешиноватости от ведения взрывных работ обычно не превышает !,5 м. В породах II категории устойчивости слои прочных пород мощностью более 1 м, как правило, не разрушаются, а размер зоны неупругих деформаций составляет 0,7...2,6 м в зависимости от механических характеристик вмещающих горных лород. В породах III категории устойчивости размер большой полуоси зоны неупругих деформаций составляет 4 ... 8 м, а в породах IV категории, характеризующихся незатухающим характером процесса смещения горных пород, достигает 10... 13 м и более.
Внутри зоны неупругих деформаций непосредственно у контура выработки формируется зона разрыхления, а за ней — зона разрушенных пород [8]. В породах II—III категории устойчивости разрушение приконтурного массива происходит в результате появления трещин, параллельных поверхности обнажения, причем зона разрушенных пород разбита трещинами на блоки достаточно крупных размеров [1].
Металлическая крепь горных выработок не может оказывать сопротивление развитию неупругих деформации, поскольку она обладает достаточно низкой несущей способностью. Нагрузка на крепь определяется только частью веса пород, располагающихся в пределах зоны :1еупругих деформаций, в частности, согласно [8],— весом породы в пределах зоны разрушения. Исследования поведения массива горных пород вокруг горизонтальных выработок с помощью станций глубинных реперов, интенсивно проводившиеся в СССР в 60—70-х годах [2, 3], дают полную картину характеру развития смещений пород, размеров и формы зоны неупругих деформаций. Абсолютные значения смещений реперов и скорость их деформирования в зависимости от времени в разных горно-геологических условиях, естественно, отличаются друг от друга, однако имеются общие закономерности:
1) чем ближе точки массива располагаются к контуру выработки, гем больше величины их смещений, которые возрастают со временем н могут затухать (породы I—III категории устойчивости) или не затухать (III и особенно IV категория устойчивости);
2) скорость смещения пород чаще всего максимальна в первый период существования выработки (30... 60 суток), затем на определенный период (30...120 суток) ее значение стабилизируется, в дальнейшем поведение массива может быть различным, но в любом случае скорость смещения слоев пород, расположенных ближе к контуру выработки, выше, чем у глубинных слоев.
Рамно-анкерная крепь будет эффективно работать как единая система в том случае, когда в узле, соединяющем раму и анкер, будет возникать реакция, вызывающая перераспределение внутренних усилий в крепи. Поэтому требуется в зависимости от формы и размеров зоны неупругих деформаций, формирующейся вокруг выработки, определить глубину закрепления анкера в массиве с тем, чтобы выполнялась его основная функция в конструкции рамно-анкерной крепи. Необходимо отметить, что для рамно-анкерных крепей целесообразно применение анкеров со сплошным закреплением по длине шпура (железобетонные, сталеполимерные и др.), которые сохраняют свою несущую способность в каждой части шпура при расчленении массива на отдельные слои, смещающиеся с разной скоростью. Для таких конструкций под замковой частью понимается глубинная часть анкера длиной 0,3... 0,5 м. В породах I и II категорий устойчивости в этой связи особых проблем не возникает, так как имеется непосредственная возможность установки замковой части анкера за пределами зоны неупру-гнх деформаций. В этом случае с достаточной надежностью в расчетной схеме рамно-анкерной крепи [6] можно считать установленный анкер дополнительной опорной связью. В массиве пород III категории устойчивости размер зоны неупругих деформаций достаточно велик, поэтому обычно нецелесообразно рекомендовать установку анкеров, закрепляемых замковой частью в неподвижном массиве. В этом случае достаточно закрепить замковую часть анкера в пределах зоны неупругих деформаций вне зоны разрушенных пород. При этом глубинная часть анкера будет смещаться с меньшей скоростью, чем контур выработки совместно с рамой, и в соединительном узле рамно-анкерной крепи возникнет усилие определенной величины. В породах IV категории установить эффективность использования рамно-анкерной крепи в общем случае затруднительно. Вопрос заключается в том, существует ли возможность совместной работы рамы и анкеров при разумной длине последних.
В качестве, иллюстрации изложенного выше материала приведем пример взаимосвязи напряженно-деформированного состояния арочной крепи, характера деформирования горных пород и разработанной на
Рис. 1. Эпюра нормальных напряжений во внутренней фнбре арочной крепи (МПа) (М, ...МА — зоны действия экстремальных изгибающих моментов)
базе исследования этих факторов конструкции рамно-анкерной крепи Полевые штреки гор. —780 м (глубина около 1000 м) шахты «Вор-кутинская», проводимые по песчаникам с прослойками аргиллита и угля (средний предел прочности пород кровли при сжатии 50... 60 МПа), крепятся металлической арочной крепью из СВП27 с шагом установки рам 0,5 м. Площадь поперечнего сечения выработок в свету составляет ¿у? '5,5 м2 Исследования, проведен-1
м2 ии¿¿^Шш^чгкттгп^ ные на кафедре шахтного строи-
тельства Уральского горного института, имели своей целью снижение расхода металла и затрат на крепление штреков путем применения рамно- анкерной крепи. Для обоснования параметров предлагаемой конструкции на контрольном участке выработки определяется характер распределения нормальных напряжений во внутренней фибре спецпрофиля крепи, а также проводились замеры смещений пород вокруг выработки. Механические напряжения в крепи измерялись электромагнитным измерителем напряжений ЭМИН-2А [4], смещения — на станции глубинных реперов с помощью рулетки ВНИМИ. Эпюра напряжений, действующих во внутренней фибре металлической крепи, приведена на рис. 1.
На эпюре напряжений (см. рис. 1) имеются два ярко выраженных экстремума изгибающих моментов, деформирующих крепь внутрь выработки, которые располагаются на левой стойке (Mi) и в сводовой части рамы (Мз), в направлении, нормальном к напластованию пород. Именно в этих зонах целесообразна установка анкеров с целью управления напряженно-де-формированным состоянием крепи. Однако окончательное решение может быть принято только после анализа характера деформирования породного массива вокруг выработки.
При проектировании ре-перной станции нами не ставилась задача определения размеров зоны неупругих деформаций, что в данном случае сопряжено с большим объемом буровых работ, поскольку породный массив принадлежит к III категории устойчивости (максимальный размер зоны неупругих деформаций может достигать 4... 8 м). Установка реперов на глубинах до 2,6 м позволила оценить характер расслоения толщи пород мощностью, соответствующей принятой в производственной практике длине анкеров. Замер смещений в левом боку выработки (зона момента М,) показал, что на глубинах до 2,5 м величины сдви-
Рис. 2. Конструкция рамно-анкерной крепи
жения всех реперов были одинаковыми и через 330 суток достигли 58 мм. Смешения пород в кровле выработки (зона момента Мз) за этот же период времени на глубине 0,5 м составили 210 мм, на глубине 1,9 м — 310 мм. Замеренные деформации пород правого бока выработки на глубину до 2,6 м примерно одинаковы — 166 мм (разница в отсчетах не превышает 10 мм).
Сопоставляя между собой результаты замера напряжений, действующих в крепи, и данные о смещениях пород вокруг выработки, можно сделать вывод о том, что установка анкеров рамно-анкерной крепи длиной 2,0... 2,5 *м будет эффективна только и сводовой части выработки (в зоне действия экстремального изгибающего момента М3), где отмечено максимальное расслоение пород. При этой длине анкера в соединительном узле рамно-анкерной крепи должно возникнуть усилие, позволяющее уменьшить величину экстремальных напряжений в верх-няке крепи. Усиление рамы крепи анкерами заданной длины в зоне действия момента Мх не даст положительных результатов, поскольку, смещаясь одновременно с массивом приконтурных пород, анкер не осуществляет силового взаимодействия с крепью.
На основании проведенных исследований и анализа полученных результатов разработан паспорт крепления полевого штрека гор.—780 м шахты «Воркутинская» рамно-анкерной крепью (рис. 2). Шаг установки крепи при этом увеличился с 0,5 до 0,67 м. По разработанным рекомендациям закреплено два экспериментальных участка выработки общей протяженностью 75 м. Применение предложенной конструкции рамно-анкерной крепи позволило снизить затраты на крепление на 11 %.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Виноградов В. В. Геомеханика управления состоянием массива вблизи горных выработок.— Киев: Наукова думка, 1989.— 192 с.
2. Глушко В. Т., Виноградов В. В. Разрушение горных пород н прогнозирование проявлений горного давления.— М.; Недра, 1982.—192 с.
3. Заславский Ю. 3. Исследование проявлений горного давления в капитальных • выработках глубоких шахт Донецкого бассейна.— М.: Недра, 1966.—180 с.
4. Измерение напряжений в элементах металлической крепи магнитоупругнм методом/М. В. Корнилков. Ю. К. Краев, Т. X. Бикташев и др.//Строительство шахт, рудников и подземных сооружений: Межвуз. науч.— темат. сб. Вып. 7.— Свердловск. 1983,— С. 44—47.
5. Исследование напряженно-деформированного состояния арочной крепи для обоснования зон рационального усиления ее анкерами/М. В. Корнилков; Ю. К. Краев В. Б. Пяткова и др.//Устойчивость выработок в сложных условиях: Межвуз. сб. науч тр. / Лемжградскин горный нн-т.— Л., 1990.— С. 109—112.
6. Корнилков М. В., Краев Ю. К. Выбор расчетной схемы рамно-анкерной крепи// Технология подземной разработки месторождений: Межвуз. науч. темат. сб./Уральский горный ин-т — Екатеринбург. 1992,—С. 21—27.
7. СНиП П-94-80. Подземные горные выработки. Нормы проектирования.— М.: Стройиздат, 1982.-31 с.
8. Шемякин Е. И. Две задачи механики горных пород, связанные с освоением глубоких месторождений руды и угля//ФТПРПИ — 1975,— Ms 6,—С 29—45.
УДК 622.281
М. В. Корнилков
СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ АРОЧНОЙ КРЕПИ
Основным видом крепи протяженных выработок угольных шахт в настоящее время является металлическая крепь, объемы применения которой постоянно увеличиваются. Удельный вес протяженных горных
