CC BY
20
ГЕОЛОГИЯ И ГОРНОЕ ДЕЛО
УДК 622.674:539.3
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АНКЕРНО-БЕТОИНОИ КРЕПИ
ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ
© 2007 г. С.Г. Страданченко, М.С. Плешко, В.Н. Армейское
В настоящее время крепление вертикальных стволов в большинстве горно-геологических условий осуществляется по совмещенной технологической схеме монолитным бетоном. Как показали проведенные ранее исследования [1, 2], одним из перспективных способов повышения несущей способности такой крепи является установка упрочняющих анкеров через возведенную крепь.
Образуемая в результате система «монолитная бетонная крепь - анкерная крепь - породный массив» в плоской постановке может быть представлена в виде расчетной схемы,приведенной на рис. 1.
Рис. 1. Расчетная схема крепи ствола, упрочненной анкерами: 1 - упрочненная анкерами монолитная бетонная крепь; 2 - упрочненный анкерами массив; 3 - однородный массив
В соответствии с современными подходами механики подземных сооружений данная задача решается в следующей постановке:
- монолитная бетонная крепь и породный массив рассматриваются как весомая совместно линейно деформируемая среда;
- анкер испытывает продольные деформации, вызываемые смешением массива и крепи.
- выполняется условие равенства точек крепления анкера и соответствующих точек массива и крепи.
Для практических целей первоочередное значение имеет методика проектирования оптимальных пара-
метров анкерно-бетонной крепи вертикальных стволов.
Исходя из этого была разработана методика проектирования, основанная на общепринятом в механике подземных сооружений методе расчета крепи вертикальных стволов, нормативных методик [3 - 5] и на результатах выполненных ранее исследований.
Исходными данными для проектирования являются:
- характеристики вмещающих пород: модуль деформации, Е0, МПа; начальный коэффициент поперечной деформации, v0; прочность пород на сжатие, Я, МПа;
- глубина ствола, Н, м;
- средний объемный вес вышележащей толщи пород, у, кн/м3;
- принятая толщина крепи ствола, t, м;
- внутренний, г2, и наружный г1 радиусы крепи ствола, м;
- характеристики бетона крепи: модуль деформации, Е1, МПа; начальный коэффициент поперечной деформации, v1; расчетное и нормативное сопротивление бетона одноосному сжатию, Яь, ЯЬп, МПа;
- характеристики технологической схемы проходки ствола: продолжительность проходческого цикла,
сут; высота заходки крепи, Из, м; отставание постоянной крепи от забоя, Аотс, м.
1. Определение параметров напряженно-деформированного состояния крепи проектной прочности
Начальное поле напряжений в массиве в поперечном сечении ствола характеризуются постоянством горизонтальных (радиальных) напряжений
а (г0) = р 00) = Ха *уИ ,
где X - коэффициент бокового распора пород, определяемый из выражения
Х = - V о
1 -V
0
а - корректирующий коэффициент, учитывающий отставание возведения крепи от обнажения пород и физическую нелинейность деформаций массива до возведения крепи. Определяется из соотношения
а = max < exp
( h _13_отс
Л (
1 --
Л
21уИ
0,15 |
где Яс - расчетное сопротивление неупрочненных пород сжатию
Я с = Як с к дл ,
здесь кс - коэффициент структурного ослабления, учитывающий дополнительную нарушенность массива пород поверхностями без сцепления или с малой связностью (зеркала скольжения, трещины, глинистые прослои и т.п.); кда - коэффициент длительной прочности, учитывающий снижение прочности пород за счет длительного нагружения.
Эквивалентные напряжения, приложенные на бесконечности, определяются по формуле
Р - v(0)
req~ Р0
2
X о +1
где /о ^ коэффициент вида напряженного состояния, принимающий значения:
X о -
3 - 4v 0 - при плоской деформации;
3-v0
1 + v0
при плоском напряженном состоянии.
Коэффициент передачи напряжений через внешний бесконечный слой до установки анкеров находится из выражения
К о -
X о +1
Gо c2 (Xi -1)+ 2
2+
G1
c? -1
где О0 - модуль сдвига пород вмещающего массива, МПа; с1 - коэффициент, характеризующий толщину монолитной бетонной крепи, с1 = гг/г2 .
Напряжения на контакте крепи с массивом (нагрузки на крепь)
Р 0(1) = К оРед.
Нормальные тангенциальные напряжения соответственно на внутреннем и внешнем контурах сечения крепи
О т = Р 0(1)т1 ; О ех = р 0(1)^1 , где т1 и т1 - коэффициенты, определяемые из выражений:
2c2
, c 2 + 1
Далее оценивается несущая способность крепи из бетона проектной прочности. Определяются средние по сечению нормальные тангенциальные напряжения
О т = 0,5 (О гп + О ех ) .
Условие прочности монолитной бетонной крепи О т ^ К , (1)
В случае если условие (1) не выполняется, необходимо проведение анкерного упрочнения.
2. Определение параметров напряженно-деформированного состояния крепи после анкерного упрочнения
Предварительно принимаются параметры упрочняющей анкерной крепи: плотность установки Р, анк/м2; длина Ь, м, диаметр ё, мм. Далее определяется параметр Оср
G ср -
Gо (L -1) + G1t
L
По графикам, пример которых представлен на рис. 2, полученным по результатам численного моделирования, определяется коэффициент упрочнения крепи, А'упр, при установке анкеров с принятыми параметрами.
К
1,оо
2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 О^
Рис. 2. Значения коэффициентов упрочнения монолитной бетонной крепи анкерами диаметром ё = 16 - 24 мм, длиной Ь=1,5 м, с плотностью установки Р = 2 анк/м2, при различном Оср, мПа-10-3
Выполняется оценка несущей способности крепи, упрочненной анкерами
о т
K
-< R
b
(2)
упр
В случае невыполнения условия (2) увеличивается длина, диаметр анкеров или (и) плотность их установки.
Проверка несущей способности анкеров выполняется в соответствии с [5].
Разработанная методика позволяет определять параметры анкерно-бетонной крепи вертикальных стволов в различных условиях, при этом данная крепь должна рассматриваться как один из вариантов повышения несущей способности крепи и сравниваться с таким известными решениями, как увеличение толщины крепи, переход на железобетонное крепление.
Литература
1. Страданченко С.Г., Плешко М.С., Армейское В.Н. Пути обеспечения безаварийной эксплуатации глубоких вертикальных стволов // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: Сб. науч. тр. / Восточноукр. нац. ун-т. Луганск, 2006. С. 31-32.
2. Плешко М.С., Армейское В.Н. Исследование различных способов анкерного упрочнения монолитной бетонной крепи вертикальных стволов на численных моделях // Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород: сб. науч. тр. / Донецкий нац. техн. ун-т. Донецк, 2006. Вып. №12. С. 206-211.
3. Инструкция по расчету и применению облегченных видов крепей с анкерами в вертикальных стволах. Харьков, 1990.
4. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений: Учебник для вузов. М., 1994.
5. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи / ВНИМИ, ВНИИОМШС Мжуглепрома СССР. М., 1983.
Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного
технического университета (Новочеркасского политехнического института) 7 ноября 2006 г.
УДК 622.258.3: 622.413
ПРИЧИНЫ И ПОСЛЕДСТВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА КРЕПЬ И ЖЕСТКУЮ АРМИРОВКУ ВОЗДУХОПОДАЮЩИХ СТВОЛОВ В ДОНБАССЕ
© 2007 г. А.Ю. Прокопов
Сезонные и суточные колебания температуры в воздухоподающих стволах шахт и рудников могут оказывать влияние на состояние крепи и жесткой армировки вследствие линейного теплового расширения (сужения) металлоконструкций и бетона, поэтому контроль над температурным режимом стволов является необходимой составляющей обеспечения безопасной эксплуатации всего подъемного комплекса.
Как показывают исследования [1], тепловые параметры вентиляционной струи в воздухоподающих стволах зависят в первую очередь от температуры поступающего в шахту воздуха, его сезонных и суточных колебаний.
Климат Донбасса характеризуется значительными перепадами температур атмосферного воздуха в течение года и даже суток. Данные метеорологических станций о зафиксированных экстремальных температурах воздуха в Шахтинском районе Донбасса за последние 8 лет [2] приведены в табл. 1.
Таблица 1
Максимумы, минимумы и амплитуды температур в Шахтинском районе Донбасса
Год T °C 1 min; T °C 1 max? ^ ДТ,°С
1999 -19,5 +37,о 56,5
2ооо -18,2 +35,4 53,6
2оо1 -2о,3 +38,4 58,7
2оо2 -27,1 +37,2 64,3
2оо3 -22,8 +34,о 56,8
2оо4 -14,6 +32,5 47,1
2оо5 -2о,3 +34,7 55,о
2ооб -29,6 +39,4 69,о
Согласно Правилам безопасности [3, §27], стволы и штольни с поступающей струей воздуха должны иметь калориферные устройства, обеспечивающие
поддержание температуры воздуха не менее +2 °С в 5 м от сопряжения канала калорифера со стволом (штольней). Исключение составляют шахты, расположенные в зонах вечной мерзлоты, для которых устанавливается индивидуальный тепловой режим в каждом конкретном случае.
Результаты исследований тепловых параметров вентиляционной струи по глубине ствола, проводившихся путем непосредственных измерений температуры в воздухоподающих и вспомогательных стволах при нормальных (соответствующих ПБ) тепловых режимах, приведены в табл. 2. Показатели амплитуды годовых колебаний и отклонения температур от среднегодовой на различных глубинах представлены в табл. 3.
Таблица 2
Значения среднемесячных температур воздуха в стволах Восточного Донбасса
Месяц Среднемесячная температура воздуха, °С, на глубине
о м 2о м 1оо м 35о м 7оо м
Январь -7,9 5,2 4,8 4,9 5,9
Февраль -5,1 4,8 5,7 5,8 8,8
Март 1,6 5 6,5 8,5 11,3
Апрель 8,7 1о,1 1о,9 11,8 13,1
Май 16,2 15,4 14,9 15,1 15,3
Июнь 2о,6 2о,4 19,5 17,8 16,3
Июль 23,1 21,9 21 18,5 16,8
Август 2о,8 2о,3 19,6 18,1 16,5
Сентябрь 16,3 15,8 16,4 15,4 15,6
Октябрь 7,1 9,о 1о,9 11,8 13,2
Ноябрь 2 5,2 6,8 8,6 11,7
Декабрь -4,2 2,5 4,3 5,8 8,8
