CC BY
115
УДК 622.271 Т.Г. Захарова
АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ КРЕПИ СОПРЯЖЕНИЙ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Семинар № 3
Строительство и эксплуатация подземных горных предприятий требует проходки и сооружения большой сети вскрывающих, подготавливающих и выемочных выработок большого сечения, которые сопрягаются и пересекаются между собой под различными углами. От состояния и пропускной способности этих выработок в значительной степени зависит ритмичная и безаварийная работа всего комплекса очистных и подготовительных выработок, а также непосредственная связь и обмен грузо - людским потоком с поверхностным комплексом и всеми службами шахты.
Состояние крепи сопряжений по мере углубления горизонтов ухудшается из-за деформации и сдвижения горных пород. Устойчивость вмещающих пород и безремонтное поддержание сопряжений в этих условиях в решающей мере предопределяется правильностью выбора типа крепи и основных параметров сопряжений.
Общей задачей расчета конструкции крепи является обеспечение эксплуатационной надежности всех ее узлов и механизма в целом за весь срок службы при минимальных затратах труда и материалов. Параметры крепи, отвечающие этим требованиям, являются рациональными. Важнейшим принципом рациональности конструкции является принцип равно-прочности всех ее элементов и узлов. Известны три основных метода расчета конструкции: по допускаемым напряжениям, по разрушающим нагрузкам, по предельным состояниям.
Условия расчета по допускаемым напряжениям сводятся к тому, что наиболь-
шее напряжение в материале конструкции не должно превышать допускаемого напряжения, составляющего определенную часть от предела прочности (бетона, кладки, древесины) или предела текучести (металла) материала. Возникающие напряжения от эксплуатационных нагрузок определяются, как правило, методами сопротивления материалов и строительной механики. Отношение предела прочности (текучести) к допускаемому напряжению материала называют коэффициентом запаса прочности (или коэффициентом безопасности), который учитывает качество материала, приближенность расчета и действующих внешних нагрузок. С улучшением качества материалов и совершенствованием расчетных методов коэффициент запаса прочности может снижаться. Основные недостатки этого метода сводятся к тому, что, во-первых, не учитываются пластические свойства материалов, в результате чего занижается расчетная несущая способность конструкции, и, во-вторых, единый коэффициент запаса не позволяет учитывать фактическую изменчивость внешних нагрузок на различные узлы и элементы конструкции, особенности режимов их работы и изменение механических свойств материалов.
Условие расчета по разрушающим нагрузкам состоит в том, что усилие в конструкции от эксплуатационной нагрузки не должно превышать наиболее вероятного разрушающего усилия, деленного на коэффициент запаса прочности конструкции. Коэффициент запаса прочности конструкции (а не материала) учитывает условность расчетов, усталость материалов,
отклонение их механических характеристик от стандартов, временные нагрузки и др. Однако дифференцированный выбор коэффициента запаса в зависимости от соотношения временных и постоянных нагрузок и сочетания особых воздействий все же не учитывал многих особенностей работы конструкции.
Поэтому был разработан метод расчета по предельным состояниям, в котором учтены пластические свойства материалов и установлен универсальный критерий предельного состояния конструкции — прекращения эксплуатации сооружения. Единый до этого коэффициент запаса прочности заменен системой расчетных коэффициентов — коэффициент перегрузки, однородности материалов и условий работы, что позволяет перейти к проектированию рациональных конструкций с равнопрочными узлами.
Предельными являются состояния, при которых крепь или ее элементы перестают удовлетворять предъявляемым к ним эксплуатационным требованиям, т. е. теряют несущую способность или получают недопустимые деформации или повреждения.
При расчете крепи различают в основном три предельных состояния: пер-вое — по несущей способности (прочности, устойчивости, выносливости); второе — по деформациям (податливость крепи);
третье — по трещиноватости (образование трещин в бетонной крепи).
Условие расчета по предельным состояниям заключается в том, чтобы напряжения, деформации или размеры и число трещин от внешних нагрузок не превосходили предельных значений, характеризующих несущую способность, податливость или трещиноватость крепи в соответствующих расчетных предельных состояниях. Основными факторами, от которых зависит коэффициент запаса и эксплуатационная надежность отдельных узлов крепи, являются: нагрузка и другие внешние воздействия, качество и механические свойства материалов, условия из-
готовления и работы узлов крепи и ее элементов. Хотя общий постоянный коэффициент запаса прочности конструкции в этом методе определен быть не может, коэффициент запаса отдельного элемента или узла крепи может быть определен по формуле кз= п / к т ,
где п — коэффициент перегрузки узла крепи; k — коэффициент однородности материала узла; m — коэффициент условий работы узла.
Таким образом, конструкция крепи считается прочной, если минимально возможная величина ее несущей способности равна или больше максимально возможной величины внешней нагрузки, при этом прочность конструкции обусловлена прочностью отдельных ее узлов и элементов.
Отсутствие единой теории расчета параметров крепи сопряжений горных выработок привело к возникновению большого количества методик расчета.
ДонГСИ разработан инженерный метод расчета параметров крепи сопряжений капитальных выработок глубоких шахт Донбасса, в основу которого положена гипотеза Р.Фенера - А.Дабасса: вмещающие породы начинают разрушаться, если их прочность меньше возникающих напряжений. Полученные полуэмпирические зависимости с погрешностью, не превышающей 30%, могут быть использованы для прогнозирования величины смещений породных контуров и величины грузоне-сущей способности крепи. Несущая способность крепи сопряжения в свою очередь определяется через смещения.
При грубом приближении расчет параметров крепи на участках сопряжений можно производить как для одиночной выработки, увеличивая полученные значения в 1,5 раза. Взаимное влияние выработок при этом следует учитывать до размеров целика между ними, равного 4-5 диаметрам (ширинам) большей выработки. Результаты данной работы приемлемы
только для условий Центрального Донбасса и не могут распространяться на другие, отличные от рассмотренных в методике.
Для расчета проявлений горного давления в протяженных капитальных выработках и на участках их сопряжений разработан экспериментально-аналитический метод, основанный на решении вязкоупруго-пластической задачи и обобщении данных натурных замеров смещений и нагрузок на крепь. Особенностью метода является введение поправочных коэффициентов, корректирующих расчетную схему и модель среды. Нагрузка на крепь определяется по номограмме путем исследования работы крепи в режиме взаимо-влияющей деформации с учетом толщины и кривизны крепи в кровле, почве и боках, размеров выработки, характеристик забутовок и времени введения крепи в работу после проведения выработок (в зависимости от приведенной глубины и расчетной прочности пород).
Сторонники энергетической теории утверждают, что при проведении горной выработки вокруг нее происходит перераспределение напряжений в массиве и высвобождение потенциальной энергии, величина которой определяется начальным напряженным состоянием массива. В незакрепленной выработке, высвобождаемая при смещении окружающего массива потенциальная энергия, полностью расходуется на процессы, обуславливающие разрушение деформируемых пород. При определенных условиях сопротивление пород исчерпывается, равновесие в массиве нарушается и происходит разрушение.
В закрепленной выработке высвобождаемая энергия затрачивается не только на разрушение деформируемых пород, но и на преодоление сопротивления крепи. В этом случае количество энергии уменьшается и естественная прочность горных пород сохраняется в большей степени. На основе вышеизложенных предпосылок для условий Восточного Донбасса определена
работа сил, действующих на деформируемые породы:
А = 0,27уср • l • b • a • cos a ,
где у ср - средневзвешенный объемный вес деформируемых пород; l - ширина выработки в проходке; b - высота области активных смещений; а - расчетный прогиб контура кровли; a - угол наклона пласта.
Высота активных смещений определяется по формуле
b = 0,65 — ln H,
Vcp
где Н - глубина расположения выработки; f ср - средневзвешенный коэффициент крепости.
Методика составлена только для расчета анкерной крепи горных выработок с пролетами в проходке не более 6 м и основана на теоретическом методе. Принятие ее за основу при разработке рациональных параметров сопряжения с пролетами более 6 м затруднительно из-за сложности определения дополнительных коэффициентов и параметров.
В оонову методики ЛГИ положены гипотезы горного давления М. М. Протодья-конова и П.М. Цимбаревича с учетом степени нарушенности массива, по которым рассчитываются размеры сводов возможного обрушения. Для выполнения инженерных расчетов породы кровли пластов по своим свойствам условно разделяются на три типа:
первый тип - трещиноватая однородная или неоднородная мощная толща пород;
второй тип - трещиноватая слоистая толща;
третий тип - неустойчивая небольшой мощности непосредственная кровля, покрытая устойчивой прочной плитой.
Для условий первого типа высота возможного обрушения определяется:
L
b =-
2 •f •п
где Ь - пролет выработки; п - коэффициент структурного ослабления породы.
Для второго типа:
Ь = Ьу,
где к у - высота от кровли выработки до устойчивого слоя.
Для третьего типа высота сводообразо-вания равна мощности непосредственной кровли.
Методика, разработанная в ЛГИ, предназначена для расчета анкерной крепи горных выработок с шириной не более 4,7 м, поэтому не может быть принята в полном объеме для сопряжений горных выработок, пролет которых достигает 12 м.
Рассмотренные работы выполнены на основе экспериментальных исследований в шахтных условиях с последующей обработкой результатов наблюдений методом математической статистики без дальнейшего теоретического обобщения, имеют прикладное значение лишь для конкретных условий и не могут быть использованы в других бассейнах. Недостаточно изучен вопрос о распределении напряжений в кровле и боках узла сопрягаемых выработок, знание которого необходимо при выборе и обос-
1. Широков А.П., Писляков Б.Г. Расчет и выбор крепи сопряжений горных выработок. - М.: Недра, 1978. 304 с.
новании горнотехнических параметров крепи.
В отечественной литературе не освещались вопросы о влиянии вида сопряжений на устойчивость породных обнажений и не анализировались затраты на сооружение сопряжений. Объектами исследования устойчивости в основном является сопряжения, расположенные на главных откаточных штреках и выработках около-ствольных дворов. Незначительно изучен вопрос состояния устойчивости сопряжений. Лабораторные исследования преимущественно проводились на плоских моделях или сводились к плоским, а такие вопросы, как влияние вида узла на устойчивость и концентрацию напряжений в кровле и боках, требуют решения в пространственной постановке. Исследования на объемных моделях сдерживаются трудоемкостью работ, отсутствием соответствующего оборудования.
Решение поставленной задачи возможно только комплексным методом с помощью аналитических, лабораторных и шахтных исследований, причем последние должны быть критерием оценки получаемых результатов.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Данилкин М.С. Определение рациональных параметров и выбор крепи сопряжений горных выработок: Дисс...канд. техн. наук. - М.., 1987. -179 с.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------
Захарова Т. Г. - Шахтинский институт Южно-Российского государственного технического университета (НПИ).
-------------------------------------------------------------- © В. А. Крапивин, 2005
УДК 622.257.12
