Файл: Скуба, В. Н. Исследование устойчивости горных выработок в условиях многолетней мерзлоты.pdf

Т', ч

Р ис. 39. Зависимость глубины оттаивания песчаника (а) и угля (б) вокруг замка штанговой крепи от времени при температуре воз­ духа 2° (1—3 при Те соответственно —1, —3, —6°).

объясняется интенсивное падение величины закрепления зам­ ков в первый период после установки металлических штанг.

Штангам распорно-безрезьбового типа свойственно постоян­ ное закрепление замков, так как площадь соприкосновения таких замков со стенками шпура значительно большая, вследствие этого при оттаивании пород наблюдается дополнительное рас­ крытие замка в результате вдавливания его элементов в породы. Вся штанга по шпуру не протаскивается, а стержень штанги перемещается относительно распорного клина. Породы в рай­ оне замка уплотняются, и в дальнейшем при оттаивании вдав­ ливание замка в породы не отмечается, а величина закрепления замков остается постоянной. Натурные и аналитические иссле­ дования величины закрепления замков металлических штанг и факторов, влияющих на нее, позволяют рекомендовать для широкого применения в условиях многолетней мерзлоты штан­ говую крепь с распорно-безрезьбовыми замками.

При установке железобетонных штанг в породах с отрица­ тельной температурой цементные растворы смерзаются в шпу­ рах до начала схватывания, и величина закрепления таких

89

штанг равна нулю или соответствует сопротивлению льда на срез в местах примерзания цементного столбика к стенкам шпура.

Выше указывалось, что получены составы, смерзание кото­ рых до начала схватывания исключается. Однако адгезия таких составов с породами, имеющими отрицательную температуру, в значительной степени зависит от условий, в которых при­ готовляется раствор. При отрицательной температуре воздуха в выработках запас тепла у цементной смеси настолько мал, что даже в совокупности с теплом экзотермической реакции, происходящей при затвердевании, его не хватает для фазового превращения льда и оттаивания пород вокруг шпура. В ре­ зультате, как и в первом случае, затвердевший бетон пример­ зает к стенкам шпура. Несущая способность таких штанг не превышает 2 —3 т. Резко увеличивается величина закрепле­ ния железобетонных штанг в мерзлых породах, когда смесь готовится при положительной температуре воздуха в выработ­ ках. Тогда в цементном составе и металлическом стержне аккумулируется тепло, которого совместно с экзотермическим теплом достаточно для протаивания пород вокруг шпура и схватывания цемента с минеральным скелетом пород.

Количественную оценку температурного режима пород вокруг железобетонной штанги можно получить из решения задачи для уравнения теплопроводности с неизвестной под­ вижной границей, называемой задачей Стефана.

Характер исследуемого процесса дает нам основание сде­ лать следующие допущения, упрощающие решение: 1) значи­ тельное отношение длины штанги к ее диаметру позволяет отнести задачу к осесимметричной; 2) кратковременность процесса схватывания раствора позволяет считать, что ха­ рактер распределения температур в талой и мерзлой зоне

хц

(VI.13)

90

Используя модернизированный метод Л. С. Лейбензона (Лыков, 1967; Лейбензон, 1939) для определения радиуса протаивания, получаем

и более.

Тепловой режим шахт на величину закрепления деревян­ ных штанг практически не влияет. В различных мерзлотных условиях она колеблется в пределах 1,6—3,7 т, редко превышая указанные значения.

* * *

Суммируя данные главы VI, сформулируем краткие выводы. 1. Прочностные характеристики и несущая способность металлических, железобетонных и деревянных штанг обуслов­ ливают эффективность их применения в подготовительных вы­ работках всех трех температурных зон. Рациональны для

данных условий:

а) штанги металлические распорно-безрезьбового типа диа­ метром 16 мм в выработках любого срока службы при закреп­ лении их замков в породах любой крепости;

б) железобетонные штанги для крепления выработок боль­ шого срока службы при установке их в любых породах;

в) деревянные штанги диаметром 38—40 мм для крепления подготовительных выработок второстепенного значения сроком службы 0,5—3 месяца и для укрепления боков долгосрочных выработок любого назначения.

2. Исследования работоспособности штанговой крепи в зоне многолетней мерзлоты показали, что при положительном тепловом режиме шахт имеет место оттаивание пород вокруг замков металлических штанг, потому для крепления горных выработок наиболее целесообразно применять штанги распорнобезрезьбового типа. Стенки горных выработок эффективно укреплять деревянной штанговой крепью.

91

Г Л А В А VII

РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ОБЛАСТЬ ЭФФЕКТИВНОГО ПРИМЕНЕНИЯ

ШТАНГОВОЙ КРЕПИ

§ 1. Влияние плотности штанговой крепи на смещенце пород в горных выработках

Для выяснения влияния плотности штанговой крепи на проявление горного давления в подготовительных выработках на шахте «Кайеркан» были проведены исследования, сущность которых заключалась в следующем.

В вентиляционном штреке ненадработанного пласта I (столб 202), пять участков длиной 10—15 м крепились штанго­ вой крепью при глубине штангования 1,8 и расстоянии между штангами 1; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4 м; плотность крепи соответствен­ но составляла 1; 0,92; 0,83; 0,77; 0,71 штг/м2. На каждом участке выработки, закрепленном штанговой крепью с опре­ деленной плотностью, были установлены замерные станции для определения смещения и расслоения пород и динамометры для определения нагрузок на крепь. С момента установки крепи до погашения выработки очистными работами за опуска­ нием и расслоением пород кровли на этих участках велось маркшейдерское наблюдение.

Анализ результатов исследований (рис. 40) показывает, что при плотности штанговой крепи 1; 0,92; 0,83 штг/м2 опускание пород кровли в течение 7 месяцев протекало равномерно и среднемесячная величина его составляла 4 —7 мм. С прибли­ жением фронта очистных работ на 25—30 м и началом влияния их на проявления горного давления опускание пород кровли резко возросло и за 2 месяца на момент прохождения очистных работ участков с указанной плотностью крепи достигло 70 — 90 мм. При плотности крепи 0,77 и 0,72 штг/м2 опускание по­ род кровли в течение 1,5 месяца после установки крепи про­ текало относительно равномерно и составляло 25—30 мм, затем резко возросло и за 3 месяца достигло 70—75 мм. При приближении очистных работ на 8 —10 м величина опускания пород крбвли превзошла критическое значение. Кровля выра­ ботки и деревянные подхваты интенсивно разрушались. При постановке опытных работ участки с плотностью штанговой крепи 0,77 и 0,7 штг/м2 во время прохождения очистных работ дополнительно подкреплялись деревянной рамной крепыо. Рас­ слоение заштангованной кровли шло идентично опусканию пород и при плотности крепи 1; 0,92; 0,83 штг/м2 на период прохождения фронта очистных работ составило 21 —28 мм, а

92

нагрузка на крепь в первом случае (рис. 41) — 3,9—4,6 т, во втором — 6,4—7,1 т.

Таким образом, в подготовительных выработках ненадработанного пласта смещение, расслоение пород кровли и нагруз­ ки на крепь при плотности 1; 0,92; 0,83 штг/м2 имеют практи­ чески одинаковые значения и резко возрастают при уменьше­ нии плотности до 0,77 и 0,71 штг/м2.

Аналогичные результаты были получены при исследованиях в подготовительных выработках надработанного пласта III. В транспортерном штреке 2 па уклоне 6 шахты «Кайеркан» четыре участка длиной по 20 —25 м были закреплены штанговой крепью при глубине штангования 1,8 м и расстоянии между штангами 0,8; 0,9; 1; 1,1 м, т. е. при плотности крепи соответ­ ственно 1,2; 1,1; 1; 0,92 штг/м2.

Исследованиями, проведенными в подготовительных выра­ ботках пластов I и III, определено, что смещение пород кровли за 1,5—2 месяца после установки крепи независимо от плот­ ности крепи (но не менее 0,83 штг/м2) имело практически оди­ наковые величины (9—14 мм), при этом расслоение составляло

опускания кровли, скорости опускания, нагрузки на крепь имели различные значения. Причем при плотности крепи па пласте I в 1; 0,92; 0,83 штг/м2 и па пласте III в 1,25; 1,1; 1 штг/м2 на протяжении 1,5—2 лет перечисленные величины не превышали критических значений, а при плотности крепи 0,77 и 0,71 штг/м2 на пласте I и 0,92 и 0,83 штг/м2 на пласте

93