Рациональные параметры поддерживающей крепи горизонтальных выработок Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 622.284

А.В.МАТВЕЕВ, Ю.Н.ЛУГОВСКОЙ

ООО «Металл-групп», филиал «Яковлевский рудник» В.И.ОЧКУРОВ, А.Б.МАКСИМОВ

Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет)

РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОДДЕРЖИВАЮЩЕЙ КРЕПИ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

Для различных горно-геологических и горно-технических условий определены несущие способности крепи КМП-А3, трапециевидной крепи без и с подкосами. На основании полученных зависимостей можно определить эффективную область применения крепи и ее параметры. В массиве рыхлых железно-слюдковых мартитовых руд естественной влажности эксплуатационное состояние выработки сечением в свету 11,2 м2 может быть обеспечено крепью КМП-А3 из СВП-22 с шагом 1 м. Несущая способность трапециевидной рамы может быть увеличена в три раза введением в конструкцию подкосов. Определены рациональные параметры трапециевидной крепи с подкосами для выработок в осушенном и обводненном рудных массивах.

The strength capacities of KMP-A3 support were determined for different geological and mining conditions. The sphere of effective use and parameters of this type of support can be determined on the basis of the obtained approximating laws. For example, if a tunnel is supported in the weak martite ore with iron and mice inclusions, the excavation (with sectional area 11,2 m2) must be supported with the KMP-A3 support made from SVP-22, with out of plane spacing equals to 1 m. By using struts elements, the strength capacity of trapezoidal frame may be increased three times. Efficient parameters of trapezoidal support reinforced by struts are found for excavation in dry and wet ore strata.

Арочная трехзвенная крепь ограниченной (до 50 мм) податливости КМП-А3 из спецпрофиля СВП широко применяется для крепления выработок на руднике. Для эффективной эксплуатации КМП-А3 необходимо знать ее несущую способность в различных горно-геологических и горно-технических условиях.

Для расчета несущей способности крепи используем метод сил, позволяющий при расчете на единичные нагрузки оценить работоспособность конструкции в любых условиях эксплуатации. Арочная трехзвенная крепь КМП-А3 в расчетной схеме является один раз статически неопределимой двух-шарнирной аркой, загруженной равномерно распределенными вертикальной и горизонтальной нагрузками.

Максимальные нормальные напряжения в опасных сечениях элементов крепи равны

. М тах| + N W + F '

где |Мтах|, N - изгибающий момент и продольная сила в опасном сечении; W, F - момент сопротивления и площадь поперечного сечения СВП.

Несущая способность арки определяется напряжениями в опасных сечениях элементов крепи

ст о

q ¡an =—q а>

(1)

где дв = 1 кН/м - вертикальная равномерно-распределенная единичная нагрузка на крепь КМП-А3; ат = 270 МПа - расчетное сопротивление по пределу текучести стали (Ст.5).

На рис.1 представлены зависимости несущей способности элементов крепи КМП-А3 сечением в свету 11,2 м2 от соотношения горизонтальной нагрузки к вертикальной. Размеры арки в свету: ширина по почве 4,22 м, высота 3,35 м, радиус циркульного свода 2,11 м.

Sö

и

S3

о д

vo о о о с

в

0,2

0,4 0,6

n = qj qB

0,8

1,0

Рис. 1. Зависимость несущей способности стоек (1-3) и верхняка (4-6) крепи КМП-А3-11,2 от отношения п горизонтальной нагрузки qг к вертикальной нагрузке qв и типоразмера СВП 1, 4 - СВП-22; 2, 5 - СВП-27; 3, 6 - СВП-33

При 0 < п < 0,45 несущая способность верхняка и стоек практически одинакова и с увеличением горизонтальной нагрузки несущая способность возрастает в 2,33 раза независимо от типоразмера СВП. При 0,45 < п < 0,65 несущая способность арки определяется несущей способностью верхняка, а при 0,65 < п < 1,0 - несущей способностью стоек. Опасные сечения находятся на криволинейном участке арки с угловой координатой 0° и (72-77)°.

Оценим работоспособность крепи КМП-А3-11,2 в массиве железно-слюдковой мартитовой руды с характеристиками: предел прочности на одноосное сжатие ^сж = 1,02 МПа, сцепление с = 0,5, угол внутреннего трения р = 27°.

По данным натурных наблюдений в массиве железно-слюдковых мартитовых руд в кровле выработки формируется свод естественного равновесия (свод обрушения) с отношением высоты свода к его основанию в = 0,45.

При жесткопластической модели взаимодействия крепи с массивом расчетная вертикальная равномерно распределенная нагрузка

2

q:

3

Y h п а,

(2)

где у = 33 кН/м3 - объемный вес руды; в, ^ -основание и высота свода обрушения, с учетом переборов руды в боках выработки 0,2 м, в = 4,62 м, ^ = 2,07 м.

Тогда вертикальная равномерно распределенная нагрузка на арку qв = 45,5 кН/м, а угол внутреннего сопротивления

ß = arctg

+tg р

= arctg

+ tg27°'

1,02

= 50,33°.

Расчетная горизонтальная равномерно распределенная нагрузка на арку определяется по формуле

q а=Y

h c +

h а

tg2

45°

= 33 •

2,07 +

3,35

tg2

45° -

50° 20' 2

= 15,7 el/i,

(3)

где hв = 3,35 м - высота арки; угол внутреннего сопротивления.

Отношение расчетных равномерно распределенных горизонтальной и вертикальной нагрузок составит п = qг/qв = = 15,8/45,5 = 0,35.

При расчетной вертикальной нагрузке qв = 45,5 кН/м и отношении п = 0,345 предельная несущая способность крепи КМП-А3-11,2 из СВП-22 (рис.1) составляет 45 кН/м. Следует учитывать, что несущая способность арки рассчитывалась по допускаемым напряжениям, поэтому можно считать, что эксплуатационное состояние выработки в рыхлых мартитовых рудах естественной влажности обеспечивается крепью КМП-А3-11,2 из СВП-22 с расстоянием между арками 1 м.

2

2

2 , \ •-25 0 125

1

/X СХ / А ду / / //

1 Г"

г--- --- --- и 1

250

Рис.2. Узлы соединения верхняка с подкосом (а), со стойкой (б) 1 - подкос; 2 - верхняк; 3 - стойка

б

а

3

Допускаемые нагрузки на верхняк и крепи

Таблица 1

Параметры

Типоразмер спецпрофиля

СВП-17

СВП-22

СВП-27

СВП-33

нагрузка, кН/м крушенного слоя руды, м

нагрузка, кН/м рушенного слоя руды, м опускаемых нагрузок

Верхняк без подкосов

7,9 0,24

11,9 0,35

Верхняк с подкосами

25,0 0,75 3,15

37,1 1,12 3,15

15,8 0,48

49,7 1,5 3,15

21,8 0,66

68,7 2,1 3,15

Допускаемая Мощность об

Допускаемая Мощность об Отношение д

Рассечка ниш, ортов-заездов из выработок, закрепленных крепью КМП-А3, сопряжена с известными трудностями и существенно упрощается при трапециевидной крепи. В связи с этим возникла необходимость проектирования трапециевидной крепи. Исходя из габаритов технологического оборудования, трапециевидная рама должна иметь следующие геометрические размеры в свету: ширина по почве - 4,94 м, по кровле - 4,0 м; высота - 3,97 м; угол наклона стоек - 83°. Сравнивались две конструкции трапециевидных рам без подкосов сечением в свету 17,2 м2 и с подкосами сечением в свету 16,9 м2 (рис.2). Из условия экономии поперечного сечения принимаем расстояние между стойкой и точками крепления подкоса к

верхняку и стойке равным 0,5 м. Верхняк и стойки крепи изготавливаются из балки СВП длиной 4 м.

Ранее отмечалось, что в осушенном массиве железно-слюдковых мартитовых руд в кровле выработки формируется свод естественного равновесия с отношением высоты свода к его ширине в = 0,45, а в обводненном массиве в = 0,75. С учетом переборов руды в боках выработки 0,2 м имеем в = 4,4 м, ^ = 1,98 м - в осушенном массиве и ^ = 2,99 м - в увлажненном рудном массиве. Тогда, согласно выражению (2), расчетные равномерно распределенные нагрузки на верхняк крепи равны 43,6 и 72,6 кН/м соответственно в осушенном и увлажненном массивах.

qneo, кН/м

80

60 -

40 -

СПВ-33 / г

s

г

г

,' СПВ-27 . ■

СПВ-22

СПВ-17

0,4

0,5

0,6

Lh, м

Рис.3. Несущая способность верхняка пролетом 3,7 м в зависимости от местоположения подкосов

Трапециевидная крепь в расчетной схеме представлена четырехшарнирной рамой, загруженной равномерно распределенными вертикальной и горизонтальной нагрузками. Расчетная схема верхняка крепи без подкосов представлена балкой пролетом 3,7 м на шарнирно-подвижной и шарнирно-непод-вижной опорах, а верхняк крепи с подкосами - неразрезной трехпролетной балкой

на четырех опорах. Верхняк загружен равномерно распределенной нагрузкой, равной 10 кН/м (1 т/м).

Предельная несущая способность верх-няка крепи равна

Ж

Яш = ^ б М'

где ат = 270 МПа - расчетное сопротивление по пределу текучести стали (Ст.5); Ж -момент сопротивления сечения СВП, м3; М - изгибающий момент в опасном сечении верхняка, кН/м.

Результаты расчетов допускаемой нагрузки на верхняк из СВП различного типоразмера приведены в табл.1.

Трапециевидные рамы без подкосов, установленные с плотностью 1 рама/м, при расчетной нагрузке 43,6 кН/м не обеспечивают устойчивость выработок в осушенном рудном массиве. Условию прочности удовлетворяет только верхняк из СВП-33 с несущей способностью 21,8 кН/м при установке рам через 0,5 м.

Сопоставление значений допускаемых нагрузок на рамы без подкосов и с подкосами показывает, что подкосы увеличивают несущую способность верхняка в три раза. Следует отметить, что несущая спо-

Таблица 2

Расчетные параметры трапециевидной крепи с подкосами

Параметры Типоразмер спецпрофиля

СВП-17 СВП-22 СВП-27 СВП-33

Осушенный рудный массив

Расстояние между рамами, м Допускаемая нагрузка, кН/м Коэффициент запаса несущей способности крепи

0,5 50,0 1,15

Увлажненный рудный массив

Расстояние между рамами, м Допускаемая нагрузка, кН/м Коэффициент запаса несущей способности крепи

0,33 75,8 1,15

0,7 53,0 1,21

0,5 74,2 1,13

1,0 49,7 1,14

0,7 71,0 1,08

1,0 68,7 1,57

1,0 68,7 1,04

Оптимальные параметры трапециевидной крепи с подкосами

Таблица 3

Параметры

Плотность расстановки рам, рама/м Расстояние между рамами (в осях), м Допускаемая нагрузка со стороны кровли, кН/м

Коэффициент запаса несущей способности крепи в увлажненном массиве

собность верхняка с подкосами может регулироваться расстоянием между стойкой и точкой крепления подкоса к верхняку рамы (рис.3).

Трапециевидная рама с подкосами в осушенном и увлажненном рудном массиве способна нести расчетную нагрузку, соответственно 43,6 и 72,6 кН/м при параметрах, приведенных в табл.2.

Расчеты показывают, что трапециевидная крепь с подкосами с параметрами, приведенными в табл.3, должна обеспечить

Типоразмер спецпрофиля

СВП-17 СВП-22 СВП-27 СВП-33

3 2 1,43 1,1

0,33 0,5 0,7 0,9

75,0 74,2 71,0 75,0

1,03 1,02 0,98 1,03

эксплуатационное состояние выработки в осушенном или увлажненном массиве же-лезно-слюдковых мартитовых руд. В осушенном массиве крепь имеет полуторный запас несущей способности.

Следует отметить, что при несоблюдении требований по плотной забутовке за-крепного пространства возрастает вероятность неуправляемого увеличения высоты свода обрушения в кровле и ширины призм сползания в боках выработки с непрогнозируемым ростом нагрузок на крепь.