CC BY
26
УДК 622.281
РАСЧЁТ КРЕПЕЙ, ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ СО СЛОЕМ РАСШИРЯЮЩИХСЯ ПОРОД
К. А. Головин, Р. А. Ковалев, А.Б. Копылов
Получена новая расчётная модель крепи, содержащая параметры расширяющегося слоя и обеспечивающая расчет крепей взаимодействующих со слоем разуплотнения пород на основании вариантов расчётных схем проф. Шейхета М.Н. и современного состояния методов расчёта крепей.
Ключевые слова: податливая крепь, расширяющиеся породы, метод начальных параметров, контур выработки.
В механике подземных сооружений особое место следует отвести задаче силового и деформационного расчёта крепей, взаимодействующих со слоем расширяющихся пород. Идея постановки и решения такой задачи при определении давления пучащих пород на крепь подземных выработок впервые использован проф. М.Н. Шейхетом [1], который рассматривал образование вокруг выработки зоны набухания и зоны неупругих деформаций. В разработанных им вариантах расчётных схем (рис. 1, а, б, в) предполагается наличие расширяющегося слоя толщиной И, имеющего коэффициент линейного расширения (в). В результате каждый элементарный столбик abcd выделенный в расширяющемся слое внешним радиусом Я зоны набухания и радиусом г выработки, удлиняется на величину [5И, а его грань аЬ смещается в положение в/. При этом относительные смещения боковых граней столбика приняты равными нулю, т.е. он как бы пассивно зажат и смещается вместе с прилегающими столбиками.
При наличии крепи смещение столбика выработку ограничено её сопротивлением так что действительное смещение будет определяться жесткостью крепи в данной точке её параметра и жёсткостью самого столбика. На основание указанных предпосылок была обеспечена возможность состарить методом строительное механики (методом сил) уравнения совместности перемещений крепи и пород, из которых находится нагрузка на крепь. На рис. 2 приведена характерная расчётная схема элемента крепи по проф. М.Н. Шейхету, где наряду с уже введенными обозначениями принято: С - ширина условного столбика породы; I - пролёт элемента крепи; Q, Н, М - реакция в конечных сечениях элемента; Р - заданная нагрузка на элемент крепи не связанная с пучением пород (например, от массы балластного слоя; массы крепи и т.д.); а1 - а5 - расстояния от осевой линии до опор и, соответственно точек приложения заданной нагрузки Р.
Рис. 1. Варианты расчётных схем при пучении пород по проф. М.Н. Шейхету:
а, б - выдавливание слабого прослойка из стенки выработки соответственно круглого и трапециевидного сечений; в - пучение почвы пласта
Современное состояние развития методов расчёта крепей позволяет по-новому использовать гипотезу расширяющегося, слоя, устранив главные её недостатки и расширив область её применения только для пучащих пород. Так, коэффициент расширения горных пород в окрестности выработок должен приниматься только на основании данных непосредственных замеров величины смещений в подземных выработках. Представительная информация о величинах коэффициента расширения пород для условий Подмосковного и Донецкого бассейнов приведена в работах Б.З. Амусина
[2], Ю.И. Бурчакова, В.М. Городничева, К.З. Кошелева Г.Г. Литвинского
[3], И.Д. Черняка [4, 5], М.Н. Шейхета и ряда других авторов. Что же касается наиболее полного учёта деформационных свойств крепи, рассматриваемой как единая система, то здесь наиболее эффективным является применение универсальной математической модели, базирующейся на уравнениях метода начальных параметров [6, 7].
На основании изложенных предпосылок принимаем, что размер области взаимодействия породы с крепью имеет конечную величину с переменным радиусом Я(а), где а - угловая координата рассматриваемой точки внешней границы «активной зоны» пород. Считаем, что за пределами этой зоны породы не будут разуплотняться, так как «активный слой» пород вокруг крепи может рассматриваться опирающимся на абсолютно жёсткое основание, роль которого выполняют породы вне активной зоны.
Величина давления смещающихся в выработку пород на отдельные элементы крепи находится из условия равенства перемещений расширяющейся породы и перемещений крепи в соответствующих точках контакта. Основными параметрами, характеризующими породы, являются величины модуля продольной деформации Е0, коэффициента поперечных деформа-
ций ^о и коэффициента расширения пород при разрушении и набухании р0. Податливость крепи в каждой точке её параметра зависит от размеров и формы очертания выработки, материала и размеров элементов крепи, ус-
В полученной расчётной схеме предусмотрено «снятие» и перераспределение нагрузки при совместных перемещениях пород и крепи. Таким образом, в результате введения в расчётную модель крепи параметров расширяющегося слоя она стала пригодной для расчёта крепей, взаимодействующих с зонами разуплотнения пород, окружающих горные выработки. При этом наряду с отмеченными выше преимуществами предлагаемая методика позволяет производить расчёты крепи при параметрах Е0, Ро, переменных как в направлении от контура выработки в глубь массива так и по периметру выработки, что имеет место в реальных условиях [9, 10, 11].
Список литературы
1. Шейхет М.Н. Давление пучащих пород на крепь подземных выработок. М.: Углетехиздат, 1955. 125 с.
2. Амусин, Б.З. Метод конечных элементов при решении задач горной геомеханики. М: Недра, 1975. 142 с.
3. Литвинский Г.Г. Аналитическая теория прочности горных пород и массивов. Монография. ДонГТУ. Донецк: Норд-Пресс, 2008. 213 с.
4. Черняк И.Л, Бурчаков Ю.И. Управление горным давлением в
подготовительных выработках глубоких шахт. М.: Недра, 1984. 304 с.
5. Черняк И. Л. Упрочнение пород в подготовительных выработках. М.: Недра, 1993. 256 с.
6. Каретников B.H., Клеймёнов В.Б., Бреднев В.А. Автоматизированный расчет и конструирование металлических крепей подготовительных выработок. М.: Недра, 1984. 312.с.
7. Каретников В.Н., Копылов А.Б., Котов В.Ю. Компьютерное моделирование и оценка работоспособности шахтных крепей методом начальных параметров. Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. 292 с.
8. Факторы, влияющие на безопасность повторного использования горных выработок/ А.Б. Копылов, В.С. Сальников, О.В. Коновалов, Л.Э. Шейнкман // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2010. № 1. С. 170-174.
9. Копылов А.Б., Соколов Э.М., Харламов А.Е. Прогнозирование проведения и поддержания подготовительных выработок с использованием методики вероятностного-статистического прогнозирования // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Вып. 2. 2011. С. 224-228.
10. Головин К.А., Копылов А.Б., Сушков С.Л. Расчет несущей способности трубопроводов, сооружаемых под полотном автодороги // Транспортное строительство. 2016. №7. С. 14-17.
11. Копылов А.Б.. Совершенствование экспериментально-аналитического метода оценки устойчивости горных выработок // Известия ТулГУ. Экология и безопасность жизнедеятельности. 1995. С. 163-166.
12. Касьян Н.Н., Сахно И.Г. Способ обеспечения устойчивости горных выработок в условиях неустойчивых пород // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Вып. 1. 2011. С. 294-300.
Головин Константин Александрович, д-р техн. наук, проф., kagolovin@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ковалев Роман Анатольевич, д-р техн. наук, проф., kovalevdekan@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Копылов Андрей Борисович, д-р. техн. наук, проф., toolart@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
CALCULATION OF LINING WHICH INTERACTING WITH LAYER OF WIDENED ROCK
K.A. Golovin, R.A. Kovalev, A.B. Kopilov
New calculation model of lining, which containing parameters of widened layer and providing calculation of lining interacting with layer of decompaction rocks with using Professor M.N. Sheihet calculation schemes and modern methods of calculating linings was gotten.
Key words: yielding support, widened rock, initial parameters method, lining contour.
Golovin Konstantin Alexandrovich, Doctor of Sciences, Professor ka-golovin@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kovalev Roman Anatolievich, Doctor of Sciences, Professor, kovalevdekan@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kopilov Andrei Borisovich, Doctor of Sciences, Professor, toolart@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Shejhet M.N. Davlenie puchashhih porod na krep' podzemnyh vyrabotok. M.: Ug-letehizdat, 1955. 125 s.
2. Amusin, B.Z. Metod konechnyh jelementov pri reshenii zadach gornoj geome-haniki. M: Nedra, 1975. 142 s.
3. Litvinskij G.G. Analiticheskaja teorija prochnosti gornyh porod i massivov. Mono-grafija. DonGTU. Doneck: Nord-Press, 2008. 213 s.
4. Chernjak I.L, Burchakov Ju.I. Upravlenie gornym davleniem v podgotovitel'nyh vyrabotkah glubokih shaht. M.: Nedra, 1984. 304 s.
5. Chernjak I. L. Uprochnenie porod v podgotovitel'nyh vyrabotkah. M.: Nedra, 1993.
256 s.
6. Karetnikov B.H., Klejmjonov V.B., Brednev V.A. Avtomati-zirovannyj raschet i konstruirovanie metallicheskih krepej podgotovitel'nyh vyrabotok. M.: Nedra, 1984. 312.s.
7. Karetnikov V.N., Kopylov A.B., Kotov V.Ju. Komp'juternoe modelirovanie i ocenka rabotosposobnosti shahtnyh krepej metodom nachal'nyh parametrov. Tula: Izd-vo TulGU, 2003. 292 s.
8. Faktory, vlijajushhie na bezopasnost' povtornogo ispol'zovanija gornyh vyrabotok/ A.B. Kopylov, V.S. Sal'nikov, O.V. Konovalov, L.Je. Shejnkman // Izvestija Tul'skogo gosu-darstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. 2010. № 1. S. 170-174.
9. Kopylov A.B., Sokolov Je.M., Harlamov A.E. Prognozirovanie provedenija i pod-derzhanija podgotovitel'nyh vyrabotok s ispol'zovaniem metodiki verojatnostnogo-statisticheskogo progno-zirovanija Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. Vyp. 2. 2011. s. 224-228.
10. Golovin K.A., Kopylov A.B., Sushkov S.L. Raschet nesushhej sposobnosti trubo-provodov, sooruzhaemyh pod polotnom avtodorogi Transportnoe stroitel'stvo. 2016. №7. S. 14-17.
11. Kopylov A.B.. Sovershenstvovanie jeksperimental'no-analiticheskogo metoda ocenki ustojchivosti gornyh vyrabotok. Izvestija TulGU, sb. nauchn. trudov «Jekologija i bezopasnost' zhiznedejatel'nosti», 1995. S. 163-166.
12. Kas'jan N.N., Sahno I.G. Sposob obespechenija ustojchivosti gornyh vyrabotok v uslovijah neustojchivyh porod. Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. Vyp. 1. 2011. S. 294-300.
