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

Исходные положения энергетического подхода к рас­ чету штанговой крепи, развиваемого в работе [102], сле­ дующие. Деформирование и смещение в выработку по­ род уменьшают их энергетический потенциал. Освобож­ даемая при этом потенциальная энергия в незакреплен­ ной выработке полностью расходуется на упругопласти­ ческое деформирование и разрушение пород. При за­ креплении выработки штангами эта энергия затрачи­ вается, кроме того, и на преодоление реактивного сопро­

щаемая деформируемыми породами, соответственно уменьшаются возникающие в них напряжения, запас прочности пород повышается. Зная количество высво­ бождаемой при локальном деформировании пород энергии, можно подобрать параметры крепи, обеспечи­ вающие устойчивость пород в течение длительного вре­ мени.

На базе изложенных гипотез предложены методы расчета штанговой крепи советскими (В. Н. Семевский, Е. Я. Махно, А. А. Борисов, О. В. Тимофеев, Б. К. Чукан, А. Т. Топалкароев, И. А. Юрченко и другие) и за­ рубежными (П. Банки, Л. Рабцевич, А. Югон, А. Кост) учеными. Для ряда условий они обеспечивают приемле­ мые результаты [10, 100].

Достоинства и недостатки методов расчета в части выбора гипотез горного давления многократно изложе­ ны в литературе [10, 19, 85 и др.]. Отметим, что сейчас уже имеются методы экспериментального и аналитиче­ ского определения размеров зоны разрушенных пород вокруг выработок [30, 57, 84].

Сложнее решается вопрос о взаимодействии штанг с породой. Большинство авторов признает упрочняющее воздействие штанг на породы, однако в расчетных фор­ мулах оно обычно не учитывается. Имеющиеся немного­ численные попытки в этом направлении не всегда удач­ ны. Например, определяя меру увеличения несущей спо­ собности кровли при схватывании пород штангами, В. Н. Семевский [85] считал возможным принимать со­ противление растяжению такой кровли равным 25% среднеарифметического значения сопротивления растя­ жению породы и стали. А. А. Борисов [10] предлагал учитывать уменьшение момента сопротивления скреп­

9

ленной штангами балки по сравнению с монолитной та­ кой же высоты с помощью коэффициента /<3:

В обоих случаях параметры штанговой крепи по ра­ ботам [85, 10] не влияют на несущую способность пород, что противоречит практическому опыту и результатам исследований.

Способы учета влияния штанг на породы Л. А. Панека и И. А. Юрченко также не всегда достаточно экс­ периментально или аналитически обоснованы. В извест­ ных методах расчета не учитываются время установки штанг (до, во время или после образования зоны неупру­ гих деформаций), их влияние на упругие свойства си­ стемы крепь — порода и конструкция, хотя механизм взаимодействия штанг различных типов с породами не­ одинаков.

Изложенное показывает, что указанные гипотезы хо­ тя и пригодны для использования при изучении работы штанговой крепи в вертикальных выработках, но нуж­ даются в существенных уточнениях представлений о взаимодействии штанг с породами. Естественно, надеж­ ная работа крепи в соответствии с любой из гипотез воз­ можна при использовании работоспособных штанг.

Набрызгбетонная крепь. Технология возведения, ха­ рактер взаимодействия с породами и физико-механиче­ ские свойства набрызгбетоиа предопределяют наиболее существенные особенности работы набрызгбетониой крепи.

Сведения о глубине проникновения набрызгбетоиа в трещины не точны, но в любом случае бетон соединяет отдельные участки поверхности обнажения и благодаря значительному сцеплению по контакту с породой соз­ дает несущую конструкцию крепь — порода. Кроме то­ го, при использовании' набрызгбетоиа с упругими кон­ стантами, близкими к таковым для породы, происходит перераспределение напряжений в контактном слое, сни­

портландцемента, глиноземистого цемента и гипса). При нанесении набрызгбетоиа, изготовленного на напрягаю­

10

Методы расчета собственно крепи выработок кругло­ го сечения при известных материале крепи, величине и характере нагрузки подробно изложены в работе [12]; некоторые положения представляют интерес и для рас­ чета крепи из набрызгбетона. При равномерно распре­ деленной нагрузке основной расчет толстостенной крепи (ko = 8o:D^0,03, где б — толщина крепи; D — диаметр ствола) производится на прочность. Проверка на устой­ чивость излишня, поскольку такая крепь теряет ее при нагрузках, намного превышающих допускаемую проч­ ность [76].

Примечательно, что начиная с некоторой толщины, дальнейшее ее увеличение не приводит к большому ро­ сту допускаемых внешних нагрузок, т. е. напряжения в крепи мало зависят от ее толщины, хотя и возрастают с уменьшением последней [12]. Поэтому невыгодны кре­ пи большой толщины из малопрочных материалов. Ис­ пользование в этом случае набрызгбетона (материала высокой прочности) целесообразно.

Прочность крепи большинство авторов определяют, исходя из условия, чтобы максимальные окружные на­ пряжения не превышали допускаемых для ее материа­ ла. Решения получены для ровного контура выработок. Имеются предложения по учету влияния неровностей на несущую способность крепи. Например, по Г. А. Крупенникову, толщина крепи

коэффициента должна определяться характером и раз­ мерами неровностей.

При неравномерной нагрузке крепь подвергается из­ гибу и воздействию связанных с ним растягивающих напряжений. Экспериментально [12] и теоретически [76] установлено, что величина изгибающих моментов в коль­

* Здесь и далее обозначения в формулах не всегда совпадают с применяемыми в рассматриваемых работах.

12

цевой крепи сравнительно невелика из-за наличия сцеп­ ления между крепыо и породой и действия касательных усилий породы на крепь. В работе [76] показано, что да­ же небольшие касательные напряжения (около 1 кгс/см2) обращают изгибающие моменты в нуль, соз­ дают условия для работы кольцевой крепи только на сжатие. Отсюда ясна эффективность использования в таких условиях мабрызгбетона, обладающего прочным контактом с породой.

При расчетах набрызгбетонной крепи, работающей в режиме взаимовлияющей деформации, основная труд­ ность заключается в определении нагрузок на крепь и смещений контура выработки. В работах [12, 50, 76] по­ казано, что результаты расчетов нагрузок на крепь и смещений контура и экспериментального их определе­ ния значительно расходятся в связи с тем, что в первом случае не учитывается влияние ползучести пород и крепи, времени установки крепи и других факторов на напряженно-деформированное состояние породного мас­ сива и крепи.

Работами [22, 50] показано, что учет этих факторов вносит существенные коррективы в результаты расчетов. Например, расчет бетонной крепи шахтных стволов по методике [76], учитывающей влияние ползучести пород и крепи, время ее ввода в работу, расстояние крепи от забоя, обеспечивает результаты, близкие к практическим данным.

Схемы расчета набрызгбетонной крепи, развиваемые Ж. С. Ержановым и другими [22], основаны на общей ме­ тодике расчета нагрузок на подземные конструкции, на­ капливаемых в процессе развития ползучести горных пород. Взаимодействие крепи и пород рассматривается как контактная задача либо двух упругоползучих, либо упругоползучей и упругой (быстротвердеющий набрызгбетон) сред, решаемая на базе теории ползучести горных пород. Анализом напряженно-деформированного состоя­ ния пород вокруг горизонтальных выработок выявлены важные закономерности влияния на их устойчивость технологических (неровности контура, время ввода кре­ пи в работу) и геологических (коэффициент бокового распора, соотношение сгС;к : оР) факторов, установлена возможность без ущерба для точности решения замены в расчетной схеме крепи реального контура с техноло­

13

гическими неровностями гладким, а также использова­ ния в расчетах вместо гладких некруговых породных контуров кругового контура.

Таким образом, в имеющихся расчетных схемах учте­ ны существенные особенности взаимодействия набрызгбетона с породами (сцепление, ползучесть пород, время вступления крепи в работу), другие же, не менее важ­ ные особенности (глубина породного слоя, упрочняемого набрызгбетоном, его физико-механические и реологиче­ ские свойства, влияние на напряженное состояние мас­ сива и др.) еще не изучены в достаточной степени и потому не используются.

Изложенное показывает большое влияние прочност­ ных и реологических свойств набрызгбетона, прочности его контакта с породой на успешность работы набрызгбетонной крепи.

Комбинированная крепь (сочетание штанговой с дру­ гими видами крепи) применяется все более широко, особенно комбинированная на основе штанг и иабрызгбетона. Здесь эффект перераспределения напряжений, упрочнения пород, их предохранения от воздействия аг­ рессивных факторов, создания системы крепь — порода проявляется соответственно в большей степени.

Схемы расчета комбинированной крепи разработаны недостаточно потому, что взаимодействие ее составляю­ щих с породами мало изучено. Это обстоятельство, как правильно отмечается в работе [22], часто является по­ водом для безосновательных утверждений об исключи­ тельных крепежных свойствах набрызгбетона и пре­ уменьшения роли штанг при объяснениях успешного применения комбинированной крепи.

§ 3. Условия возведения и эксплуатации крепи

Напряженно-деформированное состояние пород во­ круг выработки, механизм их взаимодействия с обыч­ ной крепью изучены и аналитически, и эксперименталь­ но [12, 23, 29].

Породы нетронутого массива, находящиеся в напря­ женном статическом равновесии, описываемом выраже­

14

после проведения вертикального ствола круглого по­ перечного сечения, вокруг него, по С. Г. Лехницкому, приходят в состояние

где ов, Ох и оу— вертикальное и горизонтальные напря­ жения; у — средняя объемная масса пород; Н — глуби­ на выработки; X— коэффициент бокового распора; а,- и од — горизонтальные, радиальные и нормальные напря­ жения; R\ и RT— радиус ствола и расстояние от его оси до рассматриваемой точки.

асимптотически приближаются к напряжению в нетрону­ том массиве. Прочные близлежащие к контуру ствола породы выдерживают напряженное состояние (2), (4),

(5) и (6) без пластических деформаций или разрушения. Упругие перемещения контура, не превышающие не­ скольких миллиметров даже в глубоких стволах [29], совершаются с большой скоростью задолго до возведе­ ния крепи.

Условие устойчивости стенок незакрепленного ствола

зависит от факторов, влияющих на прочностные свойст­ ва пород (ползучесть, трещиноватость, обводненность) и на их напряженное состояние (качество оконтуривания,

15