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

Установлено, что при сжатии материалов не равно­ мерно распределенными, а сосредоточенными нагруз­ ками (что как раз и имеет место при креплении на­ прягающими штангами) также удается улучшить их прочностные и упругие свойства, хотя и в меньшей сте­ пени.

Например, прочностные и упругие свойства пород приконтурного слоя, сжатых с помощью цилиндриче-

порода не равномерно распределенными по внешней н внутренней поверхностям, а попарно сосредоточенными силами, одна из которых приложена к контуру выра­ ботки, а другая — внутри породного массива.

Выше установлено, что при обычных паспортах креп­ ления в средней части заштангованного слоя напря­ жения сжатия агз более или менее равномерны, а их концентрация наблюдается у замка и опорной плиты. Следовательно, средняя часть слоя упрочнена более или менее равномерно, а породы у опорной плиты и замка — неравномерно; здесь есть участки, находящиеся в зоне

не перекрываются, приконтуриый массив, по существу, состоит из упрочненных блоков (пород, находящихся в зоне сжимающего воздействия штанг), размещенных среди пород, находящихся вне зоны влияния -штанг и прочно с ними соединенных. Даже в этом предельном случае упругие и физико-механические характеристики

47

породного массива повышаются, как установлено опы­ том применения объемно-напряженных конструкций и штанговой крепи.

Контактные штанги, помимо соединения участков по­ родного массива с различными скоростью и величиной перемещений, формируют так называемые ядра жестко­ сти. Отдельные блоки и куски породы довольно прочно соединяются между собой: сцепление между породой и раствором достигает 20—30 кгс/см2, а между армату­ рой и раствором 50—60 кгс/см2 [80].

Механизм упрочнения в общем таков же, как и при напрягающих штангах: упрочненные блоки пород со­ единяются либо друг с другом (в трещиноватых породах при использовании высоконапориого оборудования), ли­ бо с неупрочиеиными породами.

Прочность системы крепь — порода зависит от марки бетона и его сцепления с породой и стержнем. В этом смысле упрочняющее влияние железобетонных штанг можно уподобить влиянию цементного раствора в буто­ вой или кирпичной кладке. Известно, например, что для кладки из природных камней допускаемые расчетные

Очевидно, несколько более высокого результата по упрочнению трещиноватых пород следует ожидать при использовании контактных штанг.

Изменения прочностных и упругих свойств пород­ ного массива в случаях, когда зоны влияния соседних штанг не перекрываются, хорошо иллюстрируются ре­ зультатами испытаний образцов слоистой породы на сжатие поперек слоистости. Предел прочности такого

48

образца теоретически определяется прочностью наибо­ лее слабого прослойка. Фактически он ее превышает, так как более прочные слои удерживают от разрушения (от раскалывания) слабые. Кроме того, в таких образ­ цах уменьшаются соотношения между высотой слабых прослойков и шириной их основания, что также спо­ собствует повышению предела прочности образца. Есте­ ственно, превышение общего предела прочности над осж слабого слоя зависит от прочности, мощности и взаимо­ расположения слабых и прочных слоев [54, 77]. Меха­ низм упрочнения приконтуриых пород штангами любого типа аналогичен изложенному. Упрочнение некоторых пород сопровождается увеличением модуля их упругости

(см. § 2 главы IV).

Закрепление штанги по всей длине скважины, частич­ ная цементация и соединение между собой участков массива, имеющих различную скорость перемещения к центру выработки, существенно влияют на процесс не­ упругого деформирования пород и образования зоны иеупругих деформаций. Известно, что только за счет цементации скальной породы удается повысить модуль ее деформации в 1,5—1,7 раза [81]. В частности, по данным исследования работы штанговой крепи, выпол­ ненного в шахтных условиях Н. А. Вагиным, железо­ бетонные штанги обеспечивают более значительное сни­ жение деформаций, чем напрягающие.

Реальные условия работы системы напрягающие штанги-—порода далеко не в полной мере отвечают условиям работы материалов в стадиях «эффекта обоймы» и предварительного сжатия. Положение ана­ логично и при использовании контактных штанг, а так­ же комбинированных, сочетающих особенности взаимо­ действия с породами штанг двух других типов.

Теоретическое решение задачи о связи между пара­ метрами и прочностью системы шганги — порода весьма сложно. Даже для более простых и давно используемых систем (кирпичная или каменная кладка, бетон и т. п.) такие решения не найдены и используются эмпириче­ ские соотношения. Представляется, что в настоящее время наиболее целесообразно применять эксперимен­ тальные исследования для выявления количественных зависимостей и создания надежных расчетных методов параметров штанговой крепи.

49

§ 4. Влияние штанг на прочность системы штанги — породы

Напрягающие штанги. Цель исследования—воспро­ изведение на моделях близлежащего к стволу цилиндри­ ческого слоя, закрепление его штанговой крепыо с раз­ личными параметрами, нагружение всесторонней равно­ мерно распределенной нагрузкой до разрушения и срав­ нение его несущей способности с несущей способностью такого же слоя, не закрепленного штангами [72]. При подготовке эксперимента, подборе эквивалентных мате­ риалов, составлении методики и выборе схемы исследо­ вания руководствовались методическими положениями ВНИМИ [54] и следующими соображениями. Учитывая приуроченность проявлений горного давления в верти­ кальных выработках к участкам, сложенным малопроч­ ными породами, предел прочности эквивалентного мате­ риала принимали 5—7 кгс/см2, что при масштабе моде­ лирования 1:20 соответствовало пределу прочности породы на сжатие 140—200 кгс/см2.

При подборе материала и определении предваритель­ ного натяжения использовали соотношения:

объемная масса материала модели и натуры; — ■—ли- Ли

нейный масштаб модели.

Отношение — принимали равным 0,7. Учитывая раз-

У»

меры возможных вывалов и отслоений, штанги приняли длиной 1 и 2 м, сетки размещения — 1 X 1 , 2 X 2 и 3 X 3 м.

Предварительное натяжение принимали равным 4 тс (применяемое на практике) и 8 тс (легко осуществимое в производственных условиях при современных оборудо­ вании, прочности стержней и закреплении замков штанг). Деформируемость штанг осуществляли с помощью упру­ гого элемента — пружины, использовавшейся для измере­ ния первоначального натяжения штанг и регистрации его изменений.

50

Выбор схемы исследования и способа загружения модели определялся следующим образом. При любой разновидности физического моделирования, в том числе и при исследованиях на моделях методом эквивалентных

Рис. 21. Схема нагружения и напряженное состоя­ ние модели (а) и натуры (6)

материалов, необходимо применять установки, сохраняю­ щие в той или иной степени физическую природу изучае­ мых явлений.

На рис. 21 приведены две возможные схемы прове­ дения опытов и зависимости, характеризующие получае­ мые при этом напряженные состояния. Из сопоставления зависимостей видно, что напряженные состояния моде­ лей, создаваемые в первом случае боковым давлением р

(рис. 21,а)

51

и весом вышележащих пород в натуре (рис. 21,6)

V

совершенно однотипны, т. е. физическая природа явле­ ния одинакова в обоих случаях.

Для обеспечения возможности установки штанги, соз­ дания начального натяжения нужен диаметр ствола мо­ дели не менее 25—30 см, что при масштабе 1:20 имити­

рует выработку диаметром 5—6 м. Расчеты показывают, что во втором случае при таком диаметре ствола, исполь­ зовании эквивалентного материала с асж = 5ч-7 кгс/см2, объемной массе у —1,8 г/см3 и коэффициенте бокового распора Л. = 0,4 высота модели без пригрузки, необходи­ мая для разрушения материала на контуре выработки без штанг, составляет 35—50 м, а со штангами — больше на величину, которую и следовало определить. Осуществ­ ление такого эксперимента в лабораторных условиях не­ возможно, создание пригрузки также связано с больши­

52,

ми техническими трудностями. Поэтому применили первую схему, как более легко осуществимую технически.

Установка (рис. 22) состоит из двух моделей ствола, соединенных с аккумулятором давления и ручным насо­ сом. С помощью последнего водой заполняется аккуму­ лятор давления, затем вентиль 3 перекрывается и откры-

Рнс. 23. Модель шахтного ствола:

ваются вентили 1 и 2, создавая равномерное давление на породные стенки. Одновременно испытывали неза­ крепленную и закрепленную штангами модели, влияние штанг различных параметров определялось различиями в нагрузках, разрушавших модели.

Модель ствола (рис. 23) позволяет создать нагруже­ ние слоя эквивалентного материала равномерно распре­ деленной нагрузкой нагнетанием воды в цилиндрическую полость между корпусом и резиновым цилиндром, изоли­ рующим эквивалентный материал от воды.

После просушивания моделей создавали начальное натяжение штанг с помощью заранее протарированных пружин, тарировочных втулок, замков и опорных плит (рис. 24). Перемещения стенок замеряли четырьмя индих

53.