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

кретных условий (см. главу IV, § 1).

Породы малой прочности не выдерживают нового на­ пряженного состояния и деформируются или разру­ шаются, смещаясь в сторону ствола, до установления нового равновесного состояния, когда образуется зона неупругих деформаций. Особенности ее формирования в зависимости от физико-механических свойств пород, раз­ меров выработки, соотношений между асж и пределом длительной прочности пород приведены в [23, 50, 76

и ДР-].

Устойчивость обнажения (состояние незакрепленного участка выработки, при котором в течение необходимо­ го по условиям производства времени не происходит об­ рушения или сползания пород, а смещение обнаженной поверхности или ее части не превышает допустимого [87]) влияет на организацию работ по проходке и креп­ лению, выбор типа крепи, время ее установки, а также

.интенсивность нарастания и величину конечной нагруз­ ки на крепь. Определяется механической прочностью, трещиноватостью, ползучестью пород, обводненностью выработок, технологией их сооружения и т. д.

При очистной выемке устойчивость — это расстоя­ ние, при котором боковые породы обрушаются в выра­ ботанном пространстве позади очистного забоя без спе­ циально принятых мер для их обрушения. В проходче­ ской практике нет единого четко сформулированного по­ казателя устойчивости обнажения. По-видимому, оцени­ вая ее, целесообразно учитывать площадь и время обна­ жения горной породы выработкой. При обычных крепях высота обнаженного расстояния, не закрепленного по­ стоянной крепыо, составляет от 2 (при использовании опалубок) до 40 м (комплексы КС-5, КС-1М и другие, использующие щитовые оболочки).

Эта высота определяется не максимальной устойчи­ востью обнажения пород, а соображениями безопасно­ сти и равна 35—40 м. Едиными правилами безопасности движение бадей без направляющих при проходке допу­ скается на участке высотой не более 40 м. Такая высо­ та при существующей технологии проведения вертикаль­ ных выработок и есть один из показателей устойчи­ вости.

16

Среднемесячная скорость подвигания вертикальных стволов по Минтяжстрою СССР за 1968 г. составила: проходка — 53,2 м, углубка — 24,6 м при использовании совмещенной, а также параллельной и параллельно-щи­ товой схем проходки (облегченные крепи можно приме­ нять при этих же схемах). В двух последних случаях время после обнажения пород до возведения постоянной крепи может составлять около 0,5—2 месяцев. Это и есть время, необходимое для производства работ, в те­ чение которого должна сохраняться устойчивость обна­ жения. Оно вполне достаточно, поскольку при крепле­

значительных неупругих деформаций в стенках ствола на данной глубине в течение неопределенно долгого вре­ мени; допускают обнажения на высоту до 40 м и более без крепления;

средней устойчивости — малой и средней крепости ()= 1-1-6), устойчивые в течение одного-двух месяцев, но в последующем утрачивающие ее и склонные к выва­ лам; допускают обнажения высотой до 40 м, требуют крепления в отдельных местах;

неустойчивые — рыхлые, плывучие, сыпучие (f< 1) и прочные, но сильно трещиноватые, склонные к обруше­ нию за время от нескольких минут до нескольких дней

пород с промежуточными свойствами оно позволяет оце­ нить условия сооружения и эксплуатации крепи стволов, проходимых в различных горно-геологических условиях, а также обозначить перспективы применения облегчен­ ных крепей.

Г. А. Крупенниковым, Ю. А. Онищенко и другими установлено, что при достигнутых глубинах разработки стволы угольных месторождений на протяжении 85— 90% общей длины пересекают породы с устойчивыми обнажениями. Н. М. Покровский на основе анализа ма-

Ч» \Т»\л;V О- Э цАЛА

териалов обследовании состояния крепи примерно 500 стволов Донбасса отмечал, что нарушения крепи не связаны в большинстве случаев с проявлением горного давления. Это дало ему основание еще в 1947 г. заклю­ чить, что в устойчивых породах крепь стволов выпол­ няет лишь функции защиты пород от воздействия агрес­ сивных факторов [69]. В работе [30] приведен ряд при­ меров длительной эксплуатации вертикальных стволов и шурфов без крепи. Такие примеры известны из прак­ тики горнорудных предприятий, в частности железоруд­ ных, где протяженность участков, пересекающих поро­ ды с устойчивыми обнажениями, еще больше. Аналогич­ ное положение наблюдается в стволах Кривбасса, Руд­ ного Алтая, Западной Сибири, Урала [12, 27, 34].

В то же время в стволах встречаются участки, сло­ женные малопрочными породами, в которых образуются зоны неупругих деформаций и возникают нагрузки на крепь.

Нагрузки на крепь и размеры этих зон определяют параметры облегченных крепей. Можно выделить два аналитических и одно экспериментальное направление в подходе к их определению, получившие распростране­ ние. В работах первого направления для характеристи­ ки массива использовали принципы механики грунтов и представление о горном давлении как постоянной вели­ чине, воспринимаемой крепыо (работы М. М. Протодьяконова, П. М. Цимбаревича, М. П. Бродского и дру­ гих). Второе направление — работы, учитывающие взаи­ модействие пород и крепи, зависимость нагрузки на крепь от ее податливости, перемещений поверхности вы­ работки, способа проходки и технологии крепления (ра­ боты Г. Лабасса, В. Д. Слесарева, К. В. Руппенейта, Ф. А. Белаенко, И. Я. Бялера и других). Третье направ­ ление — работы, посвященные накоплению и использо­ ванию данных практики, наблюдений, изучения прояв­

Работами второго и третьего направлений установле­ но, что размеры области неупругих деформаций и на­ грузка на крепь ствола определяются его глубиной, раз­ мерами поперечного сечения, свойствами породы в мас­ сиве и нарушенном состоянии, временем возведения кре­

18

пи после обнажения породы, гидрогеологическими и гео­ логическими условиями. Нагрузка на крепь зависит так­ же и от размеров зоны неупругих деформаций, конст­ рукции крепи, характера ее взаимодействия с породами (режимы заданной нагрузки на крепь, заданной дефор­ мации крепи, взанмовлияющей деформации.крепи и мас­ сива, комбинированный [12, 76]).

Фактические средние нагрузки по периметру, по дан­

40—80%. По простиранию нагрузки значительно мень­ ше, чем вкрест простирания; радиальные смещения со­ ставляют 5—10 мм. В неустойчивых породах нагрузки достигают 10—25 кгс/см2, т. е. сопоставимы с весом столба пород до поверхности. Нагрузки интенсивно на­ растают в первые 3—6 месяцев, причем около 60% перемещений пород происходят за первый месяц [12, 23].

Рельеф поверхности стен ствола, размеры вывалов, неровностей определяют длину и сетку размещения штанг при малых размерах зоны неупругих деформаций,

превышает 10% общей глубины ствола, средняя высота вывалов 7,5 м, глубина — 1,65 м, максимальная глубина 3,0—4,5 м. Вывалы приурочены к слабым породам (слан­ цы, глина, мергель, уголь). В стволах горнорудных ме­ сторождений также встречаются вывалы (рис. 4), толь­ ко их число и размеры значительно меньше, чем в усло­ виях осадочных пород [34]. Объем вывалов и переборов достигает 10—15%), а иногда, например в Горной Шории, 15—21%) объема вынимаемой породы [34, 88].

Поверхность стенок ствола, по данным Ю. А. Они­ щенко, состоит из ровных участков (20—30%о общей площади) и чередующихся выступов и впадин (70— 80%)); средняя глубина впадин 20 см, угол наклона их плоскостей к вертикали 20°, характер поверхности с глу­ биной практически не меняется. Применяя контурное взрывание, удается получить более ровную поверхность

(см. главу V, § 1).

Распределение напряжений [см. (3) и (4)] относится к идеально гладкому круглому контуру. Неровности кон-

19

тура приводят к дополнительной концентрации напря­ жений, причем места выступов являются областью недонапряжений, а впадин — перенапряжений. Дополни­ тельная концентрация напряжений в местах вывалов и

Рис. 4. Характерные конфигурации и размеры вывалов в ство­ лах Донбасса (а) и Горной Шорни (б) (зона вывалов заштри­ хована)

недоборов зависит от их размеров и числа, глубины рас­ положения выработки и влияет на ее устойчивость [5].

Естественная трещиноватость пород в приконтурной зоне проводимой выработки дополняется искусственной, вызываемой статическими и динамическими нагрузками

20

Гидрогеологические условия. Вертикальные выработ­ ки редко сооружают в условиях незначительного при­ тока или полного отсутствия воды. Притоки изменяются от 0,5 до 50 м3/ч и более [27, 88 и др.].

После обнажения на породы воздействуют атмосфе­ ра, подземные воды, при этом обводняются пласты, ра­ нее изолированные от водоносных горизонтов. Шахтные воды, особенно агрессивные, разрушают и породу, и крепь. Часть пород (глина, глинистые сланцы, аргилли­

увлажнении теряют прочность, например глинистые пес­ чаники в 1,5—2,2 раза, известняки — в 2—2,6 раза, квар­ цевые песчаники — в 1,1 раза [12,77], другие — раство­ ряются (галоиды, ангидрит, гипс, в меньшей степени — известняки и доломиты), особенно при циркуляции ра­ створов кислот. Вода вымывает мягкие минеральные ча­ стицы и растворенные вещества из пород, что увеличи­ вает пористость и снижает прочность и устойчивость их.

Указанные изменения свойств и состояния прояв­ ляются в наибольшей степени и в малые сроки в поро­ дах неустойчивых и средней устойчивости. Отсюда по­ нятна большая, часто недооцениваемая роль изоляцион­ ной функции набрызгбетонного покрытия.

Если разрушения крепи под воздействием горного давления редки даже в тяжелых горно-геологических условиях, то от воздействия агрессивных шахтных вод они сравнительно часты в различных районах страны (Кривбасс, Донбасс, Кузбасс, Горная Шорня и др.). Аварийное состояние стволов вследствие коррозии бето­ на отмечается многими авторами [7, 27, 33, 71]. Разруша­ ется и участок крепи, где происходит фильтрация вод через бетон, и крепь всего ствола, и армировка.

Изложенное показывает: при определении области применения, выборе материалов, расчетах параметров и разработке технологии возведения облегченных крепей учет агрессивного влияния шахтных вод необходим.

21