Файл: Кравченко Г.И. Облегченные крепи вертикальных выработок.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 21.06.2024
Просмотров: 119
Скачиваний: 0
§ 4. Требования к крепи и задачи исследований
Способы удовлетворения технических требований к крепи в значительной мере определяются характером ее взаимодействия с породами, окружающими выработку.
Обычные крепи |
вертикальных |
выработок — бетонная, |
железобетонная, |
металлическая, |
• деревянная, камен |
ная — это конструкции, поддерживающие породы вокруг выработки. При использовании штанг и набрызгбетона породы вовлекаются в работу системы крепь — порода в значительно большей степени, чем при обычных крепях.
Это различие в сущности работы обычных и облег ченных крепей имеет принципиальное значение, нм объ ясняются значительные достоинства штанговой и набрызгбетонной крепей. Исследование совместной работы системы крепь — порода, свойств ее составляющих, осо бенностей поведения в различных горно-геологических условиях необходимы для успешного использования, соз дания обоснованных методов расчета, определения и расширения области применения облегченных крепей в вертикальных выработках. Такие данные, кроме того,— основа для дальнейшего развития теории облегченных крепей.
Более просто решается вопрос о соответствии облег ченных крепей производственным требованиям. Их преи мущества перед обычными крепями весьма существенны, многократно подтверждены практикой и общеизвестны. Технология сооружения вертикальных выработок 'обыч ным и специальными способами при использовании обычных и облегченных крепей в основном одинакова. Однако в случае применения штанг и набрызгбетона появляются существенные изменения в технологии от дельных видов работ (возведение временной и постоян ной крепи, армирование), повышаются требования к ка честву других (буровзрывные работы).
Специфика сооружения и эксплуатации вертикаль ной выработки, стесненные условия при возведении кре пи, наличие притоков воды и трудность доступа к от дельным участкам ствола осложняют организацию ра бот по креплению и контролю качества крепи и состоя ния системы крепь — порода.
Экономические требования предполагают минималь ные затраты на изготовление и эксплуатацию крепи.
22
Применительно к стволам обеспечение долговечности — задача не менее важная, чем обеспечение ее первона чальной прочности, ремонт ствола связан с сокращением или прекращением выдачи полезного ископаемого.
При сравнительной оценке различные крепей для выбора наиболее рациональной из них важное значение имеют не только их технико-экономические показатели на данном этапе, но и потенциальные возможности их повышения за счет увеличения точности расчета крепи на основе исследований ее работы, совершенствования конструкции и технологии возведения, применения про грессивных форм организации работы и т. д.
Таким образом, успешное применение штанговой и набрызгбетонной крепей при всей простоте их конструк ций связано с необходимостью решения ряда научных и технических задач для реализации присущих этим крепям достоинств.
Глава II
ШТАНГОВАЯ КРЕПЬ
§ 1. Работоспособность штанг
Вертикальные выработки, обычно рассчитанные на длительный срок службы, целесообразно крепить штан гами с замками простой конструкции, быстро восприни мающими нагрузку после установки. Штанги должны обладать: высоким сопротивлением на разрыв и срез; стойкостью к воздействиям взрывных работ и агрессив ных факторов; высокой прочностью закрепления в поро дах различной крепости и степени обводнения. Много численные исследования работы штанг позволяют оце нить их соответствие основным из перечисленных требо ваний.
Прочность закрепления штанг или их замков ме няется в зависимости от типа замка 1, 2 и 3, 4 (рис. 5), арматуры 1, 2, длины заделки арматуры в бетон 7, 8, материала стержня и крепости породы 3, 4 и 5, 6, сцеп ления стержня и породы с бетоном, соотношения между диаметрами скважины и штанги и некоторых других, менее важных факторов. Применяя бетон, можно обес-
23
печить высокую несущую способность штанг любого типа. Так, на руднике «Темир-Тау» в породах с f= 44-6 и /=154-16 были установлены и испытаны штанги: кон тактные железобетонные с гладким стержнем диаметром
О20 40 й, мм
Рис. |
5. |
Типичные ха |
|
|
|
|
|
|
||
рактеристики |
напря |
|
|
|
|
|
|
|||
гающих и контактных |
|
|
|
|
|
|
||||
(сплошные |
кривые) |
Рис. 6. |
Конструкции штанг |
|
||||||
железобетонных |
|
|||||||||
|
|
штанг: |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 и 2 — замки |
железобе |
25 мм |
(рис. |
6, а); |
напрягающие |
с |
||||
тонные длиной 30 см, ар |
||||||||||
матура |
периодическая и |
железобетонным |
замком |
длиной |
||||||
гладкая |
[80]; 3 и 4— зам |
|||||||||
ки металлические |
клино- |
30 см, натяжением 3—4 тс, осущест |
||||||||
щелевые, породы средней |
вляемым после схватывания и твер |
|||||||||
(/= 5-J-9) |
и малой |
(f<3) |
||||||||
крепости |
[19]; |
5 |
и 6 — |
дения бетона (рис. 6,6); комбиниро |
||||||
замки деревянные клино- |
||||||||||
щелевые, породы средней |
ванные железобетонные трубчатые и |
|||||||||
(f«=54-9) |
и малой |
(f<3) |
с клиновым |
замком (рис. |
6, в и г). |
|||||
крепости |
[19]; |
7 и 8 — |
||||||||
длина |
соответственно 2 |
Штанги |
1—3 выдерживали усилие |
|||||||
и 0,7 |
м, арматура |
глад |
||||||||
|
|
кая [80] |
|
нагружения, |
равное 10 тс — тягово |
|||||
|
|
|
|
|
му усилию домкрата, а |
штанги |
4 |
выдерживали усилие 5 тс, равное несущей способности трубчатого стержня [72]. При испытаниях контактных железобетонных штанг на Высокогорском руднике, уста навливаемых в породах и рудах с /=94-14 (сиениты, из вестняки, магнетиты), не наблюдалось сдвижения ни бе тона, ни арматуры, а происходил разрыв стержня или прядей троса при нагрузках 4—14 тс.
При использовании полимербетона на основе эпо ксидной смолы ЭД-5 прочность закрепления замка, рав
24
ная прочности стержня периодического профиля диамет ром 16 и 20 мм на разрыв, обеспечивается при длине замка соответственно 150 и 250 мм [94]. Рецептура со ставов, технология установки штанг и расчета парамет ров замка, обеспечивающие получение названных пока зателей, приведены в работах [80, 94, 100].
Прочность пород не влияет на прочность закрепления контактных железобетонных, комбинированных или на прягающих штанг с железобетонными замками: при их вытягивании бетон остается неподвижным, а извле кается арматура. Надежное сцепление арматуры с бето ном обеспечивают за счет применения периодической арматуры, выбора правильной длины заделки ее в бетон /3, оптимального состава бетона [80].
Ввод в работу системы штанги — порода ускоряют применением напрягающих штанг с распорными [100], бетонными (с ускорителями твердения) или полимербетонными замками, контактных винтовых, комбини рованных штанг (см. рис. 6, в и г) [94].
Сейчас наиболее эффективны сталеполимерные штан ги: при /□= 150 мм уже через 1 ч после установки проч ность закрепления стержней диаметром 20 мм состав ляет 15 т [94]. Комбинированные штанги имеют высо кую прочность закрепления сразу же после установки при наличии соответствующих замка и несущей способ ности стержня; прочно закрепляются и сразу после уста новки воспринимают нагрузку винтовые штанги.
Сведения о влиянии взрывных работ • на прочность закрепления клинощелевых и распорных штанг противо речивы [19, 100], относительно железобетонных сведения более определенные. Взрывные работы, проводимые на
расстоянии |
1—4 м от железобетонных штанг, установ |
|||
ленных на |
жестких (состав 1 : 2, В/Ц = 0,36-^0,4) |
бето |
||
нах в породах |
различной |
крепости (f=l,5-b6) за |
0,2— |
|
3 ч до взрыва |
(т. е. до |
начала твердения бетона) не |
снижают, а иногда даже на 5—6% повышают прочность закрепления штанг. Взрывные работы, проводимые в период интенсивного твердения бетона (от 3 до 7 ч для бетонов на глиноземистом цементе) несколько снижают прочность закрепления штанг в первоначальный период. После окончания твердения бетона взрывные работы не влияют на этот показатель. Изложенное справедливо и для небольших и для массовых взрывов [80, 100].
25
Установка железобетонных штанг в обводненных по родах обеспечивается при использовании соответствую щих оборудования и материалов, технологии работ (шприцы, глиноземистый цемент, жесткие бетоны соста ва 1:1,5—1:2, B/U = 0,25-f-0,34). При этом прочность закрепления железобетонных штанг в сухих и обводнен ных (с притоком до 0,01—0,04 л/с) скважинах уже че рез 3 сут практически одинакова [80].
Противокоррозионная стойкость штанг достигается применением цементов и ускорителей твердения, соот ветствующих виду агрессии. Вопросы контроля за рабо той штанг и системой штанги — порода освещены в ра ботах [19, 100].
§ 2. Анализ напряженного состояния закрепленного напрягающими штангами приконтурного массива
Величина, вид и распределение вызываемых штанга ми в приконтурном массиве напряжений, соотношение между ними и напряжениями вокруг выработки влияют
вокруг закрепленного штангами ствола (а) и на пряжений в цилиндрических координатах от натя жения штанги (б)
26
на работу системы штанги — порода. При анализе ис ходные значения величин, определяющих напряженное состояние приконтурного массива, приняты в диапазоне наиболее широко встречающихся в практике шахтного строительства [47].
Для изучения распределения напряжений вокруг вы работки и вокруг штанг использованы решения, осно ванные на теории упругости [18, 52, 73 и др.]. Поле на
пряжений вокруг |
вертикальной выработки (рис. |
7, а) |
|
описывается по С. Г. Лехницкому |
выражениями |
(2), |
|
(4), (5), (6). |
штанга (рис. 7, |
б) рассматривается |
|
Напрягающая |
как система двух одинаковых по величине и противопо ложно направленных сил, приложенных на поверхности линейно-деформируемого полупространства (опорная плитка) и внутри него (замок штанги).
Напряжения в точке М на глубине z', вызываемые действием силы Р, приложенной на внешней грани полубесконечного сплошного тела (т. е. имеющего безгра ничное простирание в глубину и, ширину), по Буссинеску определяются следующими выражениями:
|
- |
р |
к ■ |
(9) |
|
|
г'2 |
Л г*’ |
|
аг, |
= |
|
|
(10) |
о-01 |
= , T ~ I W ’ |
(11) |
||
Xr,Z, = |
■ зр К |
(12) |
||
|
|
■ 2* |
Д Г А ’ |
|
где Р — величина натяжения штанги, кгс;
Кг,= |
1 |
— 2р |
|
3 r'V |
|
1+ г'2 + |
|
г' У г'2 + т'ъ |
|
( ) / л'2 + г'2)5 > |
|
Кв, = |
г' |
|
|
1 |
(1 — 2р.); |
|
|
|
|
||
. ( V г л + г' 2)3 ; |
г' 2 + г ' 2 + г' V г ' 2 + 2' 2 . |
27
z 'V
Кгы =
(Kr'* + *'S)B
(.i — коэффициент Пуассона; значения остальных входя щих в формулы величин ясны из рис. 7, б.
Составляющие напряжении для той же точки, вызы ваемые сосредоточенной силой Р, приложенной на глу бине h и направленной перпендикулярно плоскости, ограничивающей линейно деформируемое полупростран ство, определяются по Р. Миндлину [52]:
|
- |
i |
x -> |
(13) |
|
|
|||
or. |
= |
/I2 |
Кг.; |
(14) |
ов._= — Кв. |
(15) |
|||
|
|
/г2 |
|
|
^г.г. — |
,„ Kr.г., |
(16) |
||
|
|
h~ |
|
|
где Кг., Кг., Кв. и |
Кг.г. — безразмерные |
величины, |
зависящие от координат рассматриваемой точки и коэф фициента поперечной деформации;
Кг |
1 |
(1 — 2ц) ( г - 1 ) , (1 — 2ц) ( г - 1 ) |
|||
8я(1 — 2ц) |
R 16 |
|
|
R 26 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
||
|
|
3 (z— 1)* |
|
|
|
|
|
*?б |
|
|
|
3(3 — 4ц) г (2 + |
I)2 — 3 ( г + 1) (5z — 1) |
ЗОг (г + 1)« |
|||
|
|
^26 |
|
|
*26 |
К г: = |
1 |
(1 — 2ц) ( г - 1 ) ( 1 - 2 ц ) ( г + 7) |
|||
8л (1 — 2ц) |
R3 |
|
R |
26 |
|
|
|
||||
|
|
16 |
|
|
|
|
4(1 — Ц) (1 — 2ц) |
Зг2 (г — 1) |
|
|
|
|
+ Р°б (Rze + г + 1) |
*?б |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
6(1 — 2ц) ( г + 1 ) 2 - 6 (г + 1) |
■3 (3 — 4ц) г2 ( г - 1 ) |
||||
+ |
|
р 5 |
|
|
|
|
|
А2б |
|
|
|
|
|
30/~2г (г + |
1) |
|
|
|
|
R7 |
|
|
|
|
|
26 |
|
|
|
28