Файл: Кравченко Г.И. Облегченные крепи вертикальных выработок.pdf

фект упрочнения начинает сказываться с переходом в зону пластических деформаций, при этом кривые нагру­ жения заштаигованных образцов проходят значительно выше и круче, чем иезаштангованиых.

80

ВО

00

20

О Л 8 12 £ ,% 0 0 8 12 е,% 0 0 8 12 £ ,%

Рис. 29. Характеристики разрушения образцов, имитирующих сла­

61

счет начального напряжения и нагнетания в скважины

§ 5. Критерий прочности системы штанги—порода

При установлении вида зависимости физико-механи­ ческих свойств системы штанги — порода от параметров штанговой крепи следует учитывать особенности взаимо­ действия с породами штанг различных типов [47].

Напрягающие штанги. Надежная работа закреплен­ ной штангами породы вокруг вертикальной выработки обеспечивается, в соответствии с первой теорией прочно­ сти, если величина действующих в ней максимальных напряжений не превосходит ее допускаемого напряжения на сжатие [акп]- На внутренней стенке заштангованногб породного слоя, нагруженного равномерно распределен­ ной нагрузкой, возникают напряжения (2) и

(28)

(29)

причем ar03>ere-

Породы, находящиеся под воздействием Ог„ и испы­ тывающие объемное сжатие, как показано выше, значи­ тельно прочнее пород вне зоны влияния штанг. Действи­ тельно, опыт применения штанг подтверждает, что, в первую очередь, разрушаются породы между их опорны­ ми плитками, т. е. в зонах, где максимальные действую­

илипосле несложных преобразований

(30)

62

где h — толщина заштангованного слоя; р ' — несущая способность системы крепь — порода.

Зависимостью (30) можно пользоваться для опреде­ ления р', если известна величина [а1;п].

Наиболее общее с физической точки зрения крите­ риальное уравнение прочности должно устанавливать зависимость между основными для данного случая ком­ понентами тензора напряжений, прочностью на сжатие породы при одноосном нагружении и прочностью на сжа­ тие системы крепь — порода. Полное решение задачи чрезвычайно сложно в связи с отсутствием необходи­ мого числа опытных данных. Представляется возможным в качестве первой попытки использовать эксперименталь­ ный критерий прочности, основываясь на следующих соображениях.

Из выражения (30), определяющего несущую способ­ ность заштангованного породного слоя, видно, что изме­ нение р' при постоянной длине штанг связано только с изменением [сгш1]. Изменения [а1Ш] связаны с изменениями в напряженном состоянии (увеличение или уменьшение о2з) в отдельных частях массива, вызываемыми измене­ нием параметров крепи. Следовательно, из критериаль­ ного уравнения прочности можно исключить значения Or и ад, как непосредственно зависящие от величины р'. Напряжение о„ для определенной глубины постоянно и также не участвует в изменениях прочности [0КП] на дан­ ной глубине. С увеличением глубины сгв возрастет и окажет упрочняющее влияние на прочность приконтуриого слоя, что хорошо подтверждается результатами опытов Беллами по разрушению пустотелых бетонных цилиндров в условиях бокового сжатия и осевой сжи­ мающей нагрузки (58]. Представляется допустимым оп­ ределить [сгкп] при схв = 0. Тогда при использовании вели­ чины сгкп при любых значениях ав=#=0 указанное допуще­ ние идет в запас прочности. По мере накопления экспе­ риментальных и практических данных влияние ств на

[о1Ш] может быть учтено.

На основе анализа распределения напряжений в заштангованном приконтурном слое и влияния на него каждого из параметров крепи для характеристики напря­ женного состояния массива предложен показатель

63

площадью, приходящейся на каждую штангу при любом паспорте крепления); h — активная длина штанг, м.

Показатель v (коэффициент объемного напряжения) с физической точки зрения характеризует величину уси-

Рис. 31. Зависимость несущей спо­

единицу объема породы при любых параметрах крепи. Опытными работами установлено наличие зависимо­ сти Окп=/(о) и определен вид уравнения, связывающего

эти величины.

Из результатов опытов, приведенных на совмещенном графике зависимости несущей способности закрепленных штангами пород приконтурного слоя (см. рис. 31), наи­ больший интерес представляют данные о штангах дли­ ной 2 м. Именно они и использованы для определения вида уравнения критерия прочности. Результаты этих испытаний в виде безразмерных зависимостей pi = v/von ф| = 01,п/осж приведены в табл. 9. В этих выражениях P\ = v/v0— относительный коэффициент объемного на­ пряжения; v — коэффициент объемного напряжения при

64

Т а б л и ц а 9

исследуемом паспорте крепления, подсчитан для сеток размещения 1X1, 2x2, 3X3 м и всех промежуточных при натяжении штанг 4 и 8 тс; и0— минимальный коэф­ фициент объемного напряжения заштангованного слоя, при котором еще обеспечивается упрочняющее влияние штанговой крепи на систему крепь — порода; этот коэф­ фициент напряжения принят соответствующим расстоя­ нию между штангами 3 м при их длине 2 м. Прдт этом паспорте прочностные показатели ст,;11 и асж заштанго­ ванного и незаштангованного слоев различаются на 5— 10%. В шахтных условиях это означает, что при таком паспорте уже обеспечивается ограничение перемещений породы внутрь ствола, совместная работа породы и штанг; ф1= акп/сгсж — показатель упрочнения.

Зависимость между pi и cpi, приведенная на рис. 32, после математической обработки результатов экспери­

штанговой крепи. Оно с достаточной степенью tomhocti (данные, полученные экспериментально, не отклоняют^ от расчетных более чем на 10—12%) устанавливает за висимость между показателями напряженного состояниг заштангованного приконтурного слоя, пределом прочно] сти на сжатие материала системы крепь — порода и пре-: делом прочности.на сжатие породы.

Опытами установлено, что при исследованных пас­ портах крепления и величине предварительного натяже­ ния 4 и 8 тс можно увеличить прочность на сжатие ма­ териала системы крепь — порода по сравнению с [аСш] в 2 и 2,5 раза при толщине заштангованного слоя соответ­ ственно 2 и 1 м.

Критериальное уравнение прочности системы крепь — порода вида (32) действительно для слабых пород, при которых и наблюдаются проявления горного давления в вертикальных выработках. Но при использовании штан­ говой крепи для крепления выработок, пройденных в зоне существенного влияния очистных работ (такие пред­ ложения имеются в работе [12]), необходимо уточнить значения коэффициента для прочных пород.

Опытами установлено, что породы приконтурного слоя, закрепленные штангами, после нарушения сплош­ ности обладают значительной несущей способностью

66

(в 1,5—2,6 раза большей, чем у пород, не скрепленных штангами), т. е. трещиноватость горных пород не пре­ пятствует успешному применению штанговой крепи, что подтверждено и результатами других работ, и практи­ кой [10, 100].

Контактные штанги. При разрушении системы кон­ тактные штанги — порода в различных горно-геологиче­ ских условиях в первую очередь также разрушаются участки пород между штангами, т. е. практически всегда обеспечивается более высокая прочность участков поро­ ды, скрепляемых стержнями и раствором штанг. Это дает основания исключить из критериального уравнения прочности системы контактные штанги — порода сцепле­ ние стержня с раствором и раствора с породой.

где I — относительная длина штанг; п — число штаиг на 1 м2 укрепляемой поверхности.

Влияние комбинированных штанг на прочность систе­ мы крепь — порода не исследовано; в расчетах можно использовать формулы (32) либо (33), обеспечивая оп­ ределенный запас прочности.

§ 6. Штанговая крепь в слоистой среде

Породы вокруг вертикальной выработки при пересе­ чении ею полого, круто или вертикально падающих слоев могут подвергаться изгибу, сжатию или растяжению.

Прочность связи между слоями, меняясь в широком диапазоне, всегда меньше прочности материала слоев. С увеличением сцепления или трения между слоями с помощью штанг повышается жесткость, изотропность материала, а вместе с ней и его сопротивляемость изги­ бу, растяжению.

Эффективность штанг для повышения прочностных показателей слоистой среды изучали [35] на моделях из эпоксидной смолы Э.Д-6, обладающей высокой оптиче­ ской активностью и малой склонностью к краевому эффекту. Испытывали модели балок, закрепленных и не

3* 67

закрепленных штангами, с начальным натяжением раз­ личной величины; сцепление между слоями отсутство­ вало. Натяжение штанг составляло 14,4; 28,8; 43,2; 57,6 кгс; в последнем случае порядок полос около штан­ ги был выше, чем в слоях не закрепленной штангами равномерно нагруженной слоистой балки.

На рис. 33 приведены результаты некоторых опытов. Из рис. 33 видно, что с увеличением натяжения штанг возрастает число нзохром, приходящихся на единицу длины балки в области влияния штанги, но сама область на контакте между слоями почти не возрастает. Из рис. 33 видно, что область влияния штанг с увеличением натяжения остается примерно одинаковой. Контакт между сжимаемыми слоями наблюдается на расстоянии

итрение возрастают на сравнительно небольшой пло­ щади между слоями, определяемой их мощностью и чис­ лом штанг. Концентрация напряжений у опорной плиты

изамка высокая, в промежуточных слоях она сни­ жается одновременно с некоторым расширением области влияния штанг.

Вслоистых породах вследствие увеличения началь­ ного натяжения штанг нельзя увеличить поддерживае­ мую ими площадь нижнего слоя, поскольку противодей­ ствующие расслоению усилия охватывают практически одинаковую зону при любом натяжении. При малой мощности слоев увеличение натяжения штанг вызывает значительную концентрацию напряжений у замка и пли­ ты, что нежелательно.

Одной из серий опытов было установлено, что уве­ личение начального натяжения до значений, вызывающих большую концентрацию напряжений в области влияния штанг, существенных изменений в общую характеристи­ ку напряженного состояния при изгибе не вносит.

Для оценки влияния начального натяжения штанг на сопротивляемость слоистой среды изгибу за пределами ее упругого состояния испытывали двухслойные и четы­ рехслойные балки из эквивалентных материалов, закреп­ ленные штангами различного натяжения (175, 350, 525, 700, 875 гс, что при масштабе моделирования 1 : 20 соот­ ветствовало натяжению 2, 4, 6, 8, 10 тс).

68