CC BY
15
© A.A. Насонов, 2012
УДК 622.268.2:624.151.53 A.A. Насонов
АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ИСКУССТВЕННЫХ ОГРАЖДЕНИЙ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Выполнен анализ применяемых методов расчёта нагрузки на охранные конструкции. Предложены направления их совершенствования, основанные на современных аналитических и численных методах.
Ключевые слова: горная порода, условная зона неупругих деформаций (УЗНД).
Расчёт максимальной ожидаемой нагрузки на искусственные ограждения производится из условия выполнения ими как обрезной, так и опорной функций.
В работе [1] приведён метод расчёта, основанный на принципе совместности деформаций охранной конструкции и расположенного над ней блока пород с учётом подбучивания зависающих и прогибающихся слоёв основной кровли обрушенными породами непосредственной кровли (рис. 1, а). Расстояние от бока выработки, расположенного со стороны нетронутого массива, до точки смыкания, где основная кровля начинает передавать нагрузку на обрушенные породы, определяется аналитическим решением [2]. Принимается, что нагрузка на обрушенные породы распределена линейно, а на искусственное ограждение и расположенный над ним блок непосредственной кровли — равномерно. Деформационные свойства массива описываются приведённым модулем деформации [3]. Прогиб пород основной кровли находится из решения Н.И. Мусхелишвили [4], а влияние на него отпора охранной конструкции учитывается по методу К.В. Руп-пенейта [5]. Время вступления искусственного ограждения в работу может быть учтено по методу Ю.М. Ёибермана и Ц. Гомеса [6].
В общем случае нагрузка на блок непосредственной кровли определяется по формуле:
* = 2•(1 Н 1 ^ (1 --, МПа (1)
91 /(X) + (1 -V 2 )• А. + (1 V ^ ^ ^
п . ЬР • ЕР
Выражение для расчёта нагрузки на искусственное ограждение имеет вид:
д = Ь- (?1 + Y ), МПа. (2)
ир
Реакция охранной конструкции, требуемая для обрушения пород кровли, рассматриваемых как защемлённая балка, определяется по формуле:
¿к -ст Р -3-У А2) МГ1
Я О.Р = -3—Ь-, МПа. (3)
к Р
Лля обеспечения обрезной функции охранная конструкция должна выдерживать нагрузку, превышающую рассчитанную по формуле (3).
Х0
лТГ
£
Ч\
) I) I) I) I) М (1 п и п п 1\ 1\ п п I) ||\I) I) 1\I) Г I) П " П П П п II I) I* П (1 П I
^ 1,5 Хо ^
й
уЯ
1\ п II П I) п II п п и п
Х
УКк 1 м и и ии I) м л м и и и I м Ж I) м и Ж и И I) Ж и м и
ЕШ
шГ
\пп птччччч) I) п п п I) 1)1)1
уК
и -1
Рис. 1. Расчётные схемы для определения нагрузки на искусственные ограждения: а — в зоне установившегося горного давления позади первой лавы; б — в зоне временного горного давления позади первой лавы: V , V — коэффициенты поперечной деформации соответственно пород кровли и материала охранной конструкции; Е — приведённый модуль деформации пород кровли, МПа; Ер — модуль деформации материала охранной конструкции, МПа; у — объёмный вес пород кровли, МН/м3; х — расстояние от
забоя лавы до места вступления искусственного ограждения в работу, м; / (х) — функция координаты х, м
/1
/
о
Ь
I
к
р
Изложенный подход позволяет определить статическую нагрузку на ограниченно податливое искусственное ограждение лишь в зоне стабилизации смешений позади очистного забоя на значительном расстоянии от него. Вместе с тем, охранная конструкция испыпывает наибольшую нагрузку, включая динамическую составляюшую, в зоне интенсивных смешений при посадках непосредственной и, особенно, основной кровель.
С целью учёта отмеченного обстоятельства в работах A.C. Диманштейна и Ф.А. Чакветадзе [7—8] предложена новая расчётная схема (рис. 1, б). Нагрузка на искусственное ограждение рассчитывается в момент обрушения породной консоли с предельным вылетом по формуле:
q = Y -У (4-1 „•/ к -1 !2) , МПа (4)
2-(2-1„ -¡1) ' W
где у — объёмный вес пород кровли, МН/м3; hK — мошность обрушаюшегося слоя пород кровли, м; 10, 1 к — шаг обрушения кровли и вылет консоли соответственно, м; 11 — катет прямоугольного треугольника при изгибе линии обрушения, м.
На основании обработки экспериментальных данных установлено, что 1 к = (0,8—1,2) 1 о, 1! = (0,4—0,6) 1 о.
Известны методы расчёта нагрузки на искусственные ограждения [1, 9, 10] для конкретных типов кровель. Например, в случае, когда нижние слои непосредственной кровли толшиной до четырёх вынимаемых мошно-стей пласта сложены легко или среднеобрушаюшимися породами (Ai и А2), а выше залегают слои пород (А3 и А4), обрушаюшиеся блоками толшиной h0 и длиной L0, нагрузка на охранную конструкцию может быть определена по формуле:
qр = Унк* mHK-(ö + be + бок + c + mHK /2-tgф) + 0,8-m (k - 1)
+ ki-ko-[1----p 7 ]-7o-ho-Lo , кН/м (5)
m в
где унк — средний объёмный вес пород непосредственной кровли, кН/м3; mHK
— мошность активной непосредственной кровли, м; b — ширина подготовительной выработки в проходке, м; be — расстояние по берме от штрека до охранной конструкци, bg = 0,5 м; Ьок — ширина охранной конструкции, Ьок = 1,6 м; c — зависание нижних слоёв пород кровли за охранной конструкцией, м; ф
— угол обрушения пород за охранной конструкцией (ф = 45—65°); k1 — коэффициент, учитываюший ожидаемое место излома кровли; при изломе за охранной конструкцией k1 = 1,0; ko — коэффициент, учитываюший пригрузку нижнего выделившегося слоя основной кровли вышележашими слоями; kp — коэффициент разрыхления пород; ho — мошность нижнего (базального) слоя основной кровли, м.
Достоинством данных методов является более полный учёт строения и геомеханических характеристик непосредственной и основной кровель пласта.
На основании статистической обработки результатов шахтных наблюдений авторами работ [11-12] получены эмпирические формулы для расчёта нагрузки на искусственные ограждения применительно к конкретным горногеологическим и горнотехническим условиям. Так, при отработке тонких пластов Донбасса выражение для расчёта нагрузки на охранную конструкцию имеет вид:
д р = 44-у(Ь + Ь6 + Ьр)-т0'5-5-е0'0025н 7 кН/м (6)
где у — средневзвешенный объёмный вес пород непосредственной и основной кровель, кН/м3; Ь, Ьб, Ьр — ширина выработки, бермы до охранной конструкции, собственно охранной конструкции соответственно, м; т — мощность пласта, м; Н — глубина расположения искусственного ограждения, м; 5 — показатель структурно-прочностных свойств кровли; / — средневзвешенный коэффициент крепости пород непосредственной и основной кровель.
Анализируя формулы (1—6), можно отметить, что известные методы расчёта нагрузок на искусственные ограждения учитывают такие факторы, как глубина расположения охранной конструкции, вынимаемая мощность пласта, деформационные, прочностные и структурные характеристики непосредственной и основной кровель; ширина выемочной выработки и бермы. Вместе с тем, практика отработки тонких пластов шахт Российского Донбасса показывает, что нагрузка на искусственные ограждения, возводимые для охраны пройденных с нижней или смешанной подрывкой конвейерных штреков, существенно зависит от высоты и параметров крепи бермы, механических свойств и структуры слагающих её пород (в том числе наличия и характеристик ослабленных контактов). Влияние этих факторов обусловливает неудовлетворительное состояние выемочных выработок, сохраняемых для повторного использования на границе с выработанным пространством. Применение жёстких или ограниченно-податливых искусственных ограждений не даёт ожидаемого технического эффекта из-за скалывания и сползания породных блоков бермы при нагрузке, значительно ниже расчётного значения и паспортной несущей способности охранной конструкции.
Очевидно, что более корректным подходом является использование принципа контактного взаимодействия охранной конструкции (крепи) с окружающим массивом, принятого в механике подземных сооружений в качестве основополагающего [13]. В такой постановке анализируется аналитическими и численными методами напряжённо-деформированное состояние системы кровля пласта — искусственное ограждение — берма. Применение при этом аппарата фрактальной геометрии позволяет учесть ступенчатость как вертикальной, так и горизонтальной составляющих нагрузок и деформаций.
1. Диманштейн A.C. Научные основы охраны повторно используемых выемочных выработок с помощью искусственных ограждений при разработке пологих угольных пластов: Лис. д-ра техн. наук. — М.: ИГЛ им. A.A. Скочинского, 1988. — 390 с.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Гаремблатт Г.И., Христинович С.А. Об обрушении кровли при горных разработках // Известия АН СССР. ОТН. — 1955. — Вып. 2. — с. I5-18.
3. Ильштейн А.М. Исследование закономерностей горного давления в подготови-
тельных выработках глубоких шахт. — М.: ИГЛ им. A.A. Скочинского. — 1969.
4. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. — М.: Наука, 1966. — 707 с.
5. Руппенейт К.В., Давыдова H.A. Обоснование инженерного метода определения давления на междукамерные целики // Известия АН СССР. Физико-механические свойства, давление и разрушение горных пород. — Вып.1. — 1962.
6. Либермен Ю.М., Гомес Ц. Метод определения давлений на целики при разработке изолированными панелями // Известия АН СССР. Физико-механические свойства, давление и разрушение горных пород. — Вып. 1 — 1962.
7. Диманштейн A.C., Чакветадзе Ф.А. Характер обрушения пород кровли вокруг выемочной выработки при подвигании очистного забоя: Сб. науч. тр. / ИГЛ им. A.A. Скочинского. — М.: 1984 — с. 224.
8. Чакветадзе Ф.А. Выбор способов охраны выемочных выработок с целью их повторного использования при разработке угольных пластов с прочными породами кровли: Автореф. дис. канд. техн. на-
ук. — М.: ИГЛ им. A.A. Скочинского. — 1984. — 2I с.
9. Диманштейн A.C., Чебышев Ю.В., Адонкин И.С., Полишук Н.Я. Охрана выемочных штреков полосами из быстротвер-деющих материалов // Лобыча угля подземным способом / ЦНИЭИУголь. — 1977. — Вып. 9 — с. 19-21.
10. Руководство по управлению горным давлением на выемочных участках шахт Восточного Лонбасса. — Шахты: ШахтНИ-УИ, 1992. — 214 с.
11. Дудукалов В.П. Определение мощности толщи, нагружающей оградительно-поддерживающие полосы при сохранении выработок для повторного использования // Технология подземной разработки месторождений. — Свердловск, 1985 — С. 24—26.
12. Стрижиборода С.К., Куницын Б.И., Аносов О. С. Влияние средств охраны вентиляционного штрека на устойчивость // Уголь Украины. — 1983. — № 9. — С. 4—7.
13. Булычёв Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах: Учебное пособие для вузов. — М.: Недра, 1989. — 270 с. S2E
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Насонов Александр Александрович — аспирант, e-mail [email protected], Шахтинский институт Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт).
РОССИЯ ЗАИНТЕРЕСОВАНА УЧАСТВОВАТЬ В ГЕОЛОГОРАЗВЕДКЕ -
И ОСВОЕНИИ СЫРЬЕВЫХ ЗАПАСОВ АФГАНИСТАНА
Россия заинтересована в экономическом процветании Афганистана, готова оказывать ему поддержку и помощь, заявила Председатель Совета Федерации Валентина Матвиенко на встрече с Председателем Палаты старейшин Национальной Ассамблеи Исламской Республики Афганистан Фазалом Хади Муслимьяром.
Российские компании проявляют интерес к совместным проектам в области геологоразведки, освоения сырьевых запасов, сказала спикер. «Наши геологи обладают уникальным опытом геологоразведки углеводородов, угля, золота и других полезных ископаемых», — отметила В. Матвиенко. — «В случае согласия афганской стороны могли бы активно включиться в эту работу».
