Расчет параметров железобетонных анкеров при креплении сопряжений капитальных горных выработок Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.281.74: 622 268.12

В. В. Ялоза, Е. В.Кителева

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ АНКЕРОВ ПРИ КРЕПЛЕНИИ СОПРЯЖЕНИЙ КАПИТАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

В современном шахтном строительстве для крепления сопряжений капитальных горных выработок все чаще применяются железобетонные анкеры. Использование их вместо арочной металлической крепи обеспечивает существенное снижение стоимости крепления участка сопряжения и позволяет значительно уменьшить трудоемкость возведения.

Научным и практическим опытом установлена низкая эффективность всех арочных и рамных крепей, т.е. эти виды крепей не несут предварительной нагрузки, не упрочняют свод выработки, трудоемки в установке, многозатратны и имеют ограниченную область применения.

Основной задачей расчета конструкции крепи сопряжения является обеспечение надежности всех ее узлов и механизма в целом на весь срок службы при минимальных затратах труда и материалов.

Применительно к этому авторами рассмотрено сопряжение с примыканием выработок под углом 90° с заданными типовыми размерами [1].

Расчет нагрузки на крепь сопряжения произведен для следующих условий:

- коэффициент структурнотекстурного ослабления пород Кс=0,5;

- глубина заложения сопряжений Н=600;

- коэффициент крепости пород /=6;

- работы ведутся вне зоны влияния очистных работ;

- отсутствует влияние близлежащих выработок;

- породы - песчаники и аргиллиты необводненные, среднетрещиноватые .

Расчет крепи сопряжения производится в следующем по-

рядке.

1. Определяется расчетная глубина размещения сопряжения [2]

н р = ки,

где И - проектная глубина размещения сопряжения, И=600 м;

k - коэффициент, учитывающий отличие напряженного состояния массива горных пород по сравнению с напряженным состоянием, вызванным собственным весом толщи пород до поверхности, k=1.

И р = 1 • 600 = 600 м.

2. Определение расчетной прочности массива вокруг сопряжения

Я = k о k k д ,

С С сж вл дл >

где kc - коэффициент, учитывающий снижение прочности пород массива по сравнению с прочность в образце из-за трещин, контактов слоев, зеркал, борозд скольжения и других макродефектов строения массива кс=0,5;

осж - среднее значение сопротивления пород в образце сжатию, осж=60 МПа;

kвл - коэффициент, учитывающий снижение прочности пород в результате обводнения,

квл=1;

kдл - коэффициент длительной прочности, т.е. коэффициент, учитывающий снижение прочности пород при длительном воздействии на них нагрузки, kдл=l;

Яс = 0,5 • 60 • 1 • 1 = 30 МПа.

3. Определение устойчивости пород выработки

и = kaкек$кькит , где ka - коэффициент влияния угла залегания пород и направления проведения выработки относительно простирания пород или основных плоскостей

трещиноватости

к„=0,7;

kв - коэффициент направления смещения пород,со стороны кровли или почвы к<9=1,при определении боковых смещений пород 0,55;

к - коэффициент влияния размера выработки, определяемый по формуле:

к=0,2(Ь-1)=0,928, где Ь - ширина выработки в проходке, Ьпр=5,64 м;

kв - коэффициент воздействия других выработок, кв=1,4;

к - коэффициент, учитывающий срок службы выработки, kt=l^;

ит - смещение пород, принятое за типовое, ит=280 мм; Цб=0,7-0,55-0,928-1,4-1-280= =140,05 мм; ик(и)=0,7-1-0,928-1,4-1-280= =254,64 мм.

Породы кровли и почвы рассмотренной выработки относятся к III категории устойчивости (неустойчивые), а породы боков - ко II категории устойчивости (среднеустойчивые).

4. Определение расчетной вертикальной нагрузки на анкерную крепь сопряжения [3] рв.а. =

к п к н тв

( 90 -фк а + И - tg I----2—

к с/

где кп - коэффициент перегрузки, кп=1,25;

кн - коэффициент, учитывающий назначение выработки,

кн=1,1;

тв - коэффициент, учитывающий влияние способа проведения выработки, тв=1;

а - полупролет выработки в проходке, рассчитывается из найденного эквивалентного пролета I:

1=(а1+а2+С1+с2)(Р1^+Р2) ,

г

Геотехнология

37

где а\, а2 - полупролет основной и примыкающей выработки в проходке, аI =а2=2,02 м [1];

СI, С2 - величина бокового отжима породы,

(

С1 =

кіуН

\

10°&сж.б кб

-1

Ні х

Р

С 2 =

к2уИ

V 100а£Ж.б .к б

- 1

Н2 х

Р

х tg V45 - 2J = -0,03194;

Я - безразмерный параметр

{ + к2 )р{соз2 а + <^ ят2 а ^

Я =

200асж.б.к б кк

X

х ]------= 0,010395,

4 в

Р1, Р2 - постоянные, зависящие от угла примыкания сопрягаемых выработок Р1=1,75, Р2=1,4;

/=(2,02+2,02-0,03178-0,03194) х

х(1,75-0,010395+1,4)=5,64 м. Тогда полупролет данного вида сопряжения определится по формуле:

а=а1+а2+С1+С2=3,98 м, где И - высота выработки в проходке, И=3,67 м [1];

(рк - кажущийся угол внутреннего трения пород равный аг^/)=агС^6=80°32'.

Отсюда

Рв.а. = 42,22 кН.

5. Определение расчетной горизонтальной нагрузки на анкерную крепь сопряжения

Рга = к п к н тв Рг

где Рг - горизонтальная (боко-

вая) нагрузка на анкерную крепь сопряжения

Рг ={0,3 0,5)Рв = 0,4Рв,

где Рв - вертикальная нагрузка по методу проф. П.М. Цимбаревича;

Рв = Ъ1У;

Ь1 - высота возможного вывала пород;

Ь1 = _01_ = 1.32 м,

1 кс/

где а1 - полупролет возможного обрушения пород (м):

щ = а + Н • tg4,28 ;

Рв = 1,32 • 25,6 • 103 = 36,55 , Рг = 0,4 • 36,55 = 14,62 кН, Рг а = 1,25 • 1,1 • 1 • 14,62 = 17,69

кН.

6. Определение прочности закрепления стержня в бетоне:

Таблица 1

Затраты по элементу «Материалы»

2

Материалы Ед. изм. Количество Цена, руб Стоимость, руб

1. Использование металлической рамной крепи:

- КМП-А3 У-27-16 рама 2 66,7 133,4

- железобетонная затяжка м3 0,482 167,8 80,88

- камерная рама рама 1 63,2 63,2

Итого СМ 277,48

2. Использование анкерной крепи

- анкеры длиной 2,1 м ком-т 5,76 1,9 10,44

- бетон для железобетонных. анкеров м3 0,0052 60 0,312

- металлическая решетчатая затяжка шт 5,04 14,3 72,07

Итого Саа 82,82

Таблица 2

Затраты по элементу «Заработная плата»

Объем работ Обоснова- ние Расценка, руб Стоимость, руб

Наименование работ Ед. изм. Коли- чество

1. Использование металлической рамной кре-

пи:

- установка арочной крепи с перекрытием

боков и кровли железобетонной затяжкой рама 2 Е36-1-67 23,42 46,84

- установка камерной рамы (ориентировочно) рама 1 Е36-1-69 10,7 10,7

Итого С ЗП 57,54

2. Использование анкерной крепи ком-

- установка анкерной крепи плект 5,76 Е36-1-68 1,4 8,1

- укрепление металлической решетчатой за-

тяжкой шт 5,04 Е36-1-64 1,16 5,85

Итого С ЗП 13,95

Рс = 7ТХІсТс1з = 368 кН.

7. Определение прочности закрепления стержня из условия сдвига относительно стенок скважины:

Рсд = ^с^сд1 з = 247 кН.

8. Определение прочности стержня на разрыв:

Рш = Рз$ш =1387 кН.

9. Определение длины анкера:

1а =1 в + 1о +1 з = 202 м.

10. Определение расстояния между анкерами по несущей способности:

ао =■

н

= 1,71 м.

У к 1ок з 11. Расстояние между анкерами по условию устойчивости между ними определяется из выражения:

1а

1а

а1 = — 1 3 ■

С

Рв

= 1,39 м.

в.а.

Расстояние между анкерами в продольном и поперечном направлениях принимается равным 1,39 м.

Количество анкеров в кровле выработки определяется, исходя из ширины выработки в проходке и расстояния между анкерами

Ь

N = -

пр

I

экв

5,64

4,06

а1 а1 1,39 (принято 4 анкера в кровле).

Для технико-экономиче-

ского сравнения параметров анкерной и металлической рамной крепи рассматривается

сопряжение вида прямоугольное примыкание” с углом 9=90°, расположенное на глубине И=600 м. Коэффициент

крепости вмещающих горных пород по шкале М.М. Протодьяконова принят равным 6. Показатели расчета по элементу «Материалы» и «Заработная плата» см. в табл. 1, 2.

Затраты на крепление при использовании металлической рамной крепи составляет

Г'М _ Г'М

С к = Сзп

+ С М = 335,02 руб

Затраты на крепление железобетонной анкерной крепью составят

Са = СЗп + СМ = 9677 руб.

Экономическую эффективность применения анкерной крепи по сравнению с металлической рамной можно определить из выражения:

См + Са

ЭА = -к-------100% и 71%.

гм

Ск

Таким образом, использование анкерной крепи позволяет снизить на 70 % стоимость крепления сопряжений капитальных горных выработок (расчеты проведены в ценах 1984 г.).

В результате расчета анкерной крепи сопряжений при рассчитанных параметрах высоты возможного вывала пород и заданного коэффициента структурно - текстурного ослабления построены графики зависимости при различных пределах прочности пород (рис. 1). Результаты расчетов в табл.3.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Таблица 3

Результаты расчетов анкерной крепи сопряжений при рассчитанных параметрах высоты возможного вывала пород и заданного коэффициента структурно- текстурного ослабления

Предел Коэффици- Высота

прочно- ент Кс возможно-

сти по- структурно го

род на - текстур- вывала

сжатие, ного ос- пород кров-

а(ж:^ МПа лабления ли, Ь = 0 м

60 0,5 1.32

0.6 1.106

0.7 0.95

0.8 0.83

0.9 0.74

70 0,5 1.21

0.6 1.01

0.7 0.87

0.8 0.76

0.9 0.67

80 0,5 1,05

0.6 0,88

0.7 0,75

0.8 0,66

0.9 0,59

90 0,5 0,93

0.6 0,77

0.7 0,67

0.8 0,58

0.9 0,51

100 0,5 0,83

0.6 0,69

0.7 0,59

0.8 0,52

0.9 0,46

110 0,5 0,75

0.6 0,62

0.7 0,53

0.8 0,47

0.9 0,41

1. Альбом «Конструкция и технология сооружения узлов сопряжений горных выработок с применением арочной крепи из СВП и камерной рамы из условий строящихся и реконструируемых шахт Кузбасса» / КузНИИшахтострой. -Кемерово , 1989. - 44 с.

2. СНиП П-94-80. Подземные горные выработки. Нормы проектирования. - М: Стройиздат, 1982. - 31 с.

3. Штумпф ГГ. Выбор и расчет крепей и обделок подземных сооружений с применением ЭВМ: Учебное пособие / ГГ. Штумпф, В.А. Шаламанов / Кузбасс. гос. техн. ун-т , Кемерово, 1998. - 144 с

□ Авторы статьи

Ялоза

Виталий .Викторович

- ст. препод. каф. строительства подземных сооружений и шахт

Кителева Елена .Викторовна - студентка КузГТУ