Геомеханическое обоснование параметров технологических схем строительства сопряжений горизонтальных горных выработок буровзрывным способом Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© А.Н. Салохин, Н.Н. Баланлин, 2003

УАК 622.268.7: 531.012

А.Н. Салохин, Н.Н. Баланлин

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ СТРОИТЕЛЬСТВА СОПРЯЖЕНИЙ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК БУРОВЗРЫВНЫМ СПОСОБОМ

На кафедре СПСиШ КузГТУ проводятся разработки технологических схем строительства сопряжений горизонтальных горных выработок с камерной рамой пройденных с применением буровзрывных работ и закрепленных металлической арочной податливой крепью.

Для исследований были выбраны сопряжения с камерной рамой и плоским перекрытием. Такие сопряжения наиболее технологичны сточки зрения процесса их проходки. Усовершенствование технологических схем строительства сопряжений с плоским перекрытием позволит организовать эффективную работу проходчиков, учитывать особенности и изменение объема БВР от цикла к циклу, применять современное горнопроходческое оборудование, что влечет за собой увеличение скорости строительства.

На основании типовых конструктивных решений сопряжений горных выработок с камерной рамой Таблица 1

КАЛЕНААРНЫЙ ГРАФИК СТРОИТЕЛЬСТВА СОПРЯЖЕНИЯ

и плоским перекрытием разработано четыре технологические схемы для сопряжений выработок с углами примыкания 30, 45, 60, 90 град.

На основе альбома [1] к расчету была принята типовая конструкция остроугольного сопряжения представлена на рис. 1 с сечением сопрягающихся выработок в свету 17,3 м2 (основной) и 11,3 м2 (примыкающей), закрепленный

рамной металлической арочной податливой крепью с плоским перекрытием и железобетонной затяжкой.

Для проходки сопряжения принята технологическая последовательность ведения горнопроходческих работ, приведенная на рис. 2. Первоначально проходится участок сопряжения основной выработки (см. рис. 2, циклы № 1- 10). После удаления от места рассечки на расстояние более двух метров проходка приостанавливается и производится установка камерной рамы (цикл № 11). Далее проходится участок сопряжения примыкающей выработки (циклы № 12, 13).

Участки сопряжения основной и примыкающей выработок проходятся уменьшенными заходками. Участок сопряжения основной выработки проходится с одновременным расширением ее для последую-

Наименование

работ

Объем работ

ед. изм.

Кол-во суток

Сутки

Проходка участка сопряжения основной выработки

— цикл 1

29,36

0,5

— цикл 2

30,93

0,62

— цикл 3

33,8

0,62

— цикл 4

33,8

0,62

— цикл 5

33,8

0,62

— цикл 6

33,8

0,62

— цикл 7

33,8

0,62

— цикл 8

33,8

0,62

— цикл 9

33,8

0,62

— цикл 10

33,8

0,62

Проходка участка сопряжения примыкающей выработки______________

1,75

— цикл 11

рам

0,1

— цикл 12

48,5

0,9

— цикл 13

23,5

0,75

2

3

4

5

6

7

8

кол-во

6

м

м

м

м

м

м

3

м

м

м

3

м

1

3

м

3

м

Таблица 2

ЗНАЧЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Номер сечения Форма поперечного сечения Цена полосы модели оо(1,0), Па Максимальные вертикальные напряжения в модеёи Отзх(М)» їа Масштаб напряжении 8 Максимальные вертикальные напряжения в натуре Ошах(н), Па

I - I две арочные (большая и малая) 0,11105 3-1 о6 111,11 333,33-106

II - II две арочные (большая и малая) 0,11105 4,2-106 111,11 466,66-106

III - III арочная 0,11-105 4,2-106 111,11 466,66-106

IV - IV трапеция 0,11-105 3,2-106 111,11 355,55-106

V - V прямоугольная 0,11105 3,5-106 111,11 388,89-106

> і > прямоугольная 0,11105 4,4-106 111,11 477,77-106

Рис. 2. Этапы строительства сопряжения

щей установки в образовавшейся нише камерной рамы.

Для крепления участка № 1, включающего в себя проходческий цикл № 1, принята арочная конструкция крепи сопряжения, состоящая из полной рамы (рис. 2, а). Для крепления второго характерного участка сопряжения (циклы № 2-9) приняты полурамы, которые состоят из двух стоек арочной крепи и прямолинейного отрезка из спецпрофиля СВП (2, б).

С учетом расчета всех элементов крепи на рис. 3 представлено конструктивное решение сопряжения капитальных горных выработок с углом примыкания 600.

Расчет параметров организации горнопроходческих работ по строительству сопряжений включает в себя расчет технико-экономических показателей горнопроходческих работ и построение графиков организации работ, составление схем расстановки людей и оборудования по процессам проходческого цикла. Для бурения шпуров при проходке цикла № 2 используется буропогрузочная машина 2ПНБ-2Б с навесным бурильным оборудованием НБ-1. Схемы размещения горнопроходческого оборудования и расстановки проходчиков по процессам проходческого цикла приведены на рис. 4.

Проведение участка сопряжения примыкающей выработки начинается с установки камерной рамы -цикл № 11.

Затем участок примыкающей выработки по длине делится на два цикла - № 12 и 13. Циклы № 12 и № 13 направлены на выравнивание плоскости забоя перпендикулярно проектному направлению примыкающей выработки.

Характерной особенностью проходческого цикла № 12 является разделение его на два приема взрывания. Это связанно с тем, что ширина обуриваемого забоя 8,1 м.

Технология бурения шпуров и технология погрузки горной массы приведена на рис. 5.

Далее производится установка постоянной крепи примыкающей выработки. Крепление цикла № 12 осуществляется полутрапециями, которые устанавливаются под углом к камерной раме. Крепление цикла № 13 аналогично креплению протяженной части выработки.

Строительство сопряжения с камерной рамой и плоским перекрытием с остроугольным примыканием сопрягающейся выработки включает 13 проходческих циклов. Календарный график строительства сопряжения приведен в табл. 1.

Заключительным этапом строительства сопряжения является бетонирование "утюга" и примыкающих к нему рам крепи выработок с использованием деревянной опалубки.

Выполненные расчеты параметров технологической схемы строительства сопряжения с камерной рамой позволили получить следующие результаты:

• количество циклов строительства сопряжения -13 циклов;

• продолжительность проходческого цикла - 12 ч;

• подвигание забоя за цикл - 1,3 м;

• шаг установки крепи на участке примыкания - 0,3 м;

• месячная скорость проходки - 1500 м3/мес;

• принятое количество проходчиков в смену -

6 чел.

Рис. 3. Конструктивное решение сопряжения капитальных горных выработок

Продолжительность строительства сопряжения составила 7,75 суток

Эквивалентный пролет данного вида сопряжения (рис. 6) можно определить [2]

1 = (а1+а2+С1+С2)(Р]Л+Р2), м,

где а1 - полупролет основной выработки в проходке, м; а2 - полупролет примыкающей выработки в проходке, м; С1 - величина бокового отжима породы (смещение пород в боках) основной выработки, м; С2 - величина бокового отжима породы (смещение пород в боках) примыкающей выработки, м; Р1, Р2 -постоянные, зависящие от угла примыкания сопрягаемых выработок.

На процесс формирования зон различного напряженно-деформированного состояния пород массива вокруг подземных сооружений и, непосредственно на размеры этих зон, оказывает большое влияние множество горно-геологических, горнотехнических и технологических факторов. Оценка влияния компонентов этих факторов на распределение напряжений вокруг подземных сооружений была установлена поляризационно-оптическим методом.

К исследованию поляризационно-оптическим методом принята модель сопряжения с углом примыкания 45 град. Исследования проводились по установленным сечениям, приведенным на рис. 7.

В результате выполненных исследований на моделях установленных сечений сопряжений выработок получены схемы распределения напряжений по которым построены эпюры максимальных вертикальных напряжений. Схемы распределения вертикальных напряжений по установленным сечениям и

В ОСНОВНОЙ ВЫРАБОТКЕ:

В ПРИМЫКАЮЩЕЙ ВЫРАБОТКЕ:

УСТАНОВКА КАМЕРНОЙ РАМЫ

БУРЕНИЕ ШПУРОВ

[П4)

(п$\

1 ©

(і)

©

—к-------к-----її—і_і—

ЗАРЯЖАНИЕ ШПУРОВ

ПОГРУЗКА ПОРОДЫ

уЪ. ©© ©©© і

©@

©

© © © —II---------II-------II—

Условные обозначения:

"Г

Буропогрузочная машина при погрузке горной массы

Буропогрузочная машина при бурении шпуров

Скребковый конвейер

(Яі) ----- Проходчик

---- Мастер-взрывник

----- Слесарь

Рис. 4. Схемы расстановки рабочих и оборудования по процессам проходческого цикла

Рис. 5. Технология бурения шпуров и погрузки горной массы

эпюры их значений приведены на рис. 8, 9.

Переход, от полученных максимальных вертикальных напряжений в модели атах(м к максимальным вертикальным напряжениям в натуре атах(Н) для углов примыкания 45 и 60 град. выполняется с учетом масштаба 5 по формуле [3]

^тах(Н) = 5^тах(М),

где атах(М) - максимальные вертикальные напряжения в модели; 5 - масштаб напряжений.

Масштаб напряжений определяется по формуле [3]

5 = ^нЫ,

Я

где ун - объемный вес пород, Н/м3; Н - моделируемая глубина (глубина заложения сооружения), м; ц - прикладываемое к модели равномерно распределенное вертикальное давление, Па.

Для условий Ерунаковского месторождения преобладающая величина объемного веса горных пород составляет ун = 0,025 МН/м3 [3]. Для исследования были изготовлены модели при ц = 0,45-105 Па. Для анализа полученных результатов исследования принята глубина заложения сопряжения (Н), равная 200 м, наиболее характерная для шахт данного месторождения.

Данные испытаний моделей и расчетов представлены в табл. 2.

В качестве примера приведен результат исследования модели сопряжения с углом примыкания 45 град. Для построения графика зависимости вертикального

напряжения от ширины выработки используются два, одинаковых по форме, но разных по ширине сечения (У-У1 и У1-У1 см. рис. 7, 8 и 9). На рис. 10 представлен график зависимости максимальных вертикальных напряжений от ширины выработки.

Анализ полученных данных свидетельствует о том, что максимальные вертикальные напряжения зависят от геометрических параметров сопряжения, в частности от длины камерной рамы. Полученная графическая зависимость напряжений от длины камерной рамы характеризуется уравнениями:

атах = 29,35-1 +227,5

°тах = 17,9-1+310,9

где 1 - ширина камерной рамы, м.

Для оптимизации геометрических параметров камерной рамы сопряжения выполняем расчет с целью получения значений максимального изгибающего момента (Мтах) и момента сопротивления сечения изгибу (V) для принятых к расчету остроугольных сопряжений с углом примыкания 45 и 60 град. Для этого изменено место установки камерной рамы. Расположение камерной рамы в сопряжении с углом примыкания выработок с углом примыкания равным 450 и 600 приведено на рис. 4.11.

Максимальный изгибающий момент в балке определяется по формуле [2]:

Р Ь Iі

р тах 16

где Ьтах- максимальная ширина выработки по почве, определяеемая графически, м; Ь - длина активного пролета камерной балки, м.

Момент сопротивления находится по формуле [2]:

Ж =

РРЬ т

16аТ

где аТ = 210000 кН/м2 - предел текучести стали Ст.3пс для балки.

Расчет параметров интенсивной технологии горнопроходческих работ по строительству сопряжений проведен для углов примыкания выработок 45 и 60 град. При этом установлено следующее:

1. С увеличением ширины выработки на 35% возрастает величина вертикального напряжения в 1,2

раза.

2. Максимальные вертикальные напряжения линейно зависят от геометрических параметров сопряжения, в частности - от длины камерной рамы.

3. Получены уравнения графической зависимости напряжений от длины камерной рамы.

4. Геометрические параметры камерной рамы сопряжений влияют и на максимальный изгибающий момент верхняка и на его момент сопротивления чения. При увеличении длинны камерной рамы на

Рис. 10. График зависимости максимальных вертикальных напряжений (отах) от ширины выработки (1):

1 - для выработок с углом примыкания 450; 2 - для выработок с углом примыкания 600

Рис. 11. Схема расположения камерной рамы сопряжения с углом примыкания 450 и 600

35% в 3,2 раза увеличивается максимальный изгибающий момент и момент сопротивления верхняка, а при увеличении длинны камерной рамы более, чем на половину (54%) максимальный изгибающий момент и момент сопротивления верхняка увеличивается в 8,7 раз.

5. При увеличении эквивалентного пролета сопряжения на 3%, в 1,6 раза увеличивается длинна камерной рамы, что влечет увеличение максимальных вертикальных напряжений, изгибающего момента и момента сопротивления верхняка.

Таким образом, рациональное расположение камерной рамы при различных углах примыкания выработок сопряжения выбирается из расчета максимальной скорости проходки, минимума напряжений в приконтурном массиве и минимального сопротивления камерной балки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Альбом “Конструкция и технология сооружения узлов сопряжений горных выработок с применением арочной крепи из СВП и камерной рамы для условий строящихся и реконструируемых шахт Кузбас-

са”/Кузниишахтострой. - Кемерово, 1989.

2. Минин В.А. Проектирование и расчет технологических схем строительства сопряжений. /В.А. Минин, В. В. Першин, А.Н. Садохин / Под общей

редакцией д-ра техн. наук, проф. В.В. Першина. - Кемерово: Кузбассвузиз-дат, 1998. - 366 с.

3. Штумпф Г. Г. Геомеханика: Учеб. пособие / Кузбас. гос. техн. унт. - Кемерово, 2000. 115 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Садохин А.Н, Баландин Н.Н. - Кузбасский государственный технический университет.

Файл: САДОХИН

Каталог: G:\no работе в универе\2003г\Папки 2003\01ЛВ4_03

Шаблон: C:\Users\Таня\ЛppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Norma1.dotm

Заголовок: Тема: Геомеханическое обоснование параметров технологических схем

строительства сопряжений горизонтальных горных выработок буро-взрывным способом Содержание:

Автор: №к-№к

Ключевые слова: г геомеханика технологических м учеб

Заметки: 3. Штумпф Г. Г. Геомеханика: Учеб. пособие / Кузбас. гос. 2. Минин В. А.

Проектирование и расчет технологических схем строительства сопряжений. 1 =(a1+a2+C1+C2)(P1+P2), м,

УДК

Дата создания:

Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:

Полное время правки: Дата печати:

При последней печати страниц: слов: знаков:

28.03.2003 12:51:00 36

28.03.2003 16:02:00 Гитис Л.Х.

109 мин.

08.11.2008 0:13:00 5

I 933 (прибл.)

II 024 (прибл.)