Файл: Введение в горнодобывающей промышленности выработки широко используются для разработки полезных ископаемых.docx
Добавлен: 11.12.2023
Просмотров: 124
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Указанным массивам пород в меньшей степени свойственны упорядоченные структурные неоднородности, по своим свойствам они приближаются к сыпучим средам с той или иной степенью связности между отдельными частицами. Этим же массивам более свойственны естественные поля напряжений, обусловленные лишь гравитационными силами. В подобных условиях справедливо полагают, что для вертикальных выработок наиболее устойчивой формой поперечного сечения является круговая, для горизонтальных выработок – тоже круговая, но практически более удобна сводчатая.
Как показывают расчёты с использованием формул (3.8) для условий скальных массивов подобные выводы не всегда являются справедливыми, всё определяется конкретными условиями полей естественных напряжений, реальными параметрами структурных неоднородностей массива пород и геометрическими характеристиками выработок, в частности, их сечений.
Рассмотрим последовательно вертикальные и горизонтальные выработки сначала при условии действия только гравитационных напряжений, а затем и в условиях проявления тектонических сил.
Естественное поле напряжений массива – гравитационное.
Это направление включает различные методы изменения деформационно-прочностных свойств массива окружающих пород, но большинство из них представляют собой специальные технологии проведения выработок (методы искусственного упрочнения пород вокруг выработок – тампонирование, замораживание, кессонные способы проходки, специальные методы ведения взрывных работ, проведение выработок бурением на полное сечение и др.).
Методами воздействия на приконтурный массив с целью направленного изменения его свойств являются и методы возведения различных крепей в выработках, поскольку в настоящее время крепь горных выработок следует рассматривать как активный элемент системы “крепь—массив”. Состояние системы “крепь—массив” (в том числе напряжения, как в массиве, так и в крепи) определяется в равной степени как деформационно-прочностными характеристиками массива окружающих выработку пород, так и самой крепи.
Это наглядно может быть показано на графике (рис. 3.29), где координаты точек пересечения деформационных характеристик крепи с кривой деформирования породного контура выработки определяют значения нагрузки на крепь Р и смещения и поверхности выработки и самой крепи при достижении состояния равновесия.
Рис. 3.29. Зависимости нагрузок на крепь от деформационных характеристик пород на контуре выработки и крепи.
I, II — характеристики деформирования крепей различных конструкций; III - характеристика деформирования штанговой крепи.
1,2 - характеристики деформирования пород на контуре выработки до и после установки штанговой крепи.
Р1 и Р2, u1 и u2 - соответственно давления и смещения пород на контуре выработки в зависимости от деформационных характеристик крепи и времени её включения в работу.
Очевидно, при более жестких характеристиках крепи (например, кривая III) точка пересечения на графике будет располагаться выше, а, следовательно, нагрузка на крепь будет больше.
При этом необходимо подчеркнуть, что, если издавна применяемые деревянные, каменные, бетонные, железобетонные и тюбинговые крепи непосредственно не изменяют деформационно - прочностных свойств пород, окружающих выработки, а лишь в определенной степени ограничивают их деформации и предотвращают разрушение, то различные виды анкерной крепи активно влияют (значительно повышают) на предел прочности на растяжение и сцепление пород в приконтурной части массива вследствие введения в породы металлической арматуры и заполнения раскрытых трещин бетоном при железобетонных штангах (кривая деформирования пород после установки штанговой крепи смещается вверх). Этим в первую очередь и объясняется эффективность анкерной крепи, ее быстрое и широкое распространение в горной практике. Также активно (но в меньшей степени, чем анкерная крепь) воздействуют на свойства приконтурного массива набрызг-бетонные виды крепи. В зависимости от характера взаимодействия крепи и пород выделяется несколько режимов.
В частном случае крепь выработки может быть загружена отделившимися от массива небольшими объемами пород. При этом смещения крепи практически не будут влиять на нагрузки на крепь. Подобный режим называют режимом заданной нагрузки (рис. 3.30 а).
Если же реактивное сопротивление крепи практически не влияет на перемещения поверхности контакта крепи с породой, такое взаимодействие называют режимом заданной деформации. Оно характерно для участков выработок, подверженных высоким напряжениям, например в зонах опорного давления.
Наиболее часто крепи подготовительных и капитальных выработок находятся в режиме взаимовлияющей деформации (рис. 3.30 в). Смещение поверхности соприкосновения крепи с породой зависит в этом случае от сопротивления крепи.
Наконец, в практике возможны случаи, когда крепь работает в комбинированном режиме, например, одновременно в условиях взаимовлияющей деформации и заданной нагрузки (рис. 3.30 г).
Выделение основных режимов взаимодействия крепи массива пород позволяет в каждом конкретном случае определять наиболее вероятный режим работы крепи и в соответствии с этим рассчитывать и выбирать ее параметры.
Например, как показывают результаты исследований устойчивости капитальных и подготовительных выработок в условиях скальных трещиноватых массивов, крепи выработок в этом случае, как правило, работают в режиме заданной нагрузки и испытывают незначительное давление, обусловленное весом отделившихся структурных блоков или их частей, потерявших связь с массивом в результате скола или отрыва по поверхностям естественных трещин. В таких условиях крепь должна удовлетворять требованиям:
а) быть ограждающей, а не грузонесущей конструкцией, предотвращающей образование заколов и выпадение породы в выработку;
б) изолировать стенки от воздействия агентов выветривания, так как при выветривании ускоряются процессы разрушения приконтурного массива пород;
в) обеспечивать упрочнение связей между отдельными блоками массива.
Этим требованиям наиболее полно удовлетворяет комбинированная крепь из железобетонных анкеров с набрызгбетонным покрытием стенок и кровли выработок.
В случае применения крепей, способных оказывать противодавления на окружающий выработку массив (режим взаимовлияющей деформации массива и крепи, рис. 3.30 в) резко изменяются условия деформирования пород. Даже весьма небольших усилий, развиваемых распорными крепями
, часто бывает вполне достаточно для того, чтобы значительно повысить прочностные характеристики массива пород вследствие перевода их из плоского напряженного состояния в объёмное.
Аналогичную роль оказания противодавления на породы приконтурного массива выполняют буровые растворы при проведении и поддержании буровых скважин, которые по ряду своих характерных признаков могут служить в известном смысле моделями горных выработок. При этом весьма существенно, чтобы плотность бурового раствора, а следовательно, и противодавление, оказываемое им на породы в стенках скважин, тесно увязывались с начальным полем напряжений в массиве и свойствами пород для предотвращения в приконтурном массиве возникновения растягивающих напряжений.
Разработано очень много различных подходов и методов расчёта крепей горных выработок. При этом видоизменялись и совершенствовались типы и конструкции крепей, находили применение новые материалы, изменялась технология возведения крепей. Всё многообразие применяемых крепей и их методов расчёта невозможно осветить в этой лекции, да это, наверное, и нецелесообразно. В этой связи остановимся лишь на самых распространённых типах крепей выработок, особенностях их конструкций и основных принципах расчётов.
Крепи вертикальных выработок.
Для крепления вертикальных выработок – стволов шахт, восстающих и шурфов - применяют различные материалы.
Капитальные шахтные стволы, имеющие срок службы, равный сроку службы шахт или рудников, т.е. 50-60 лет и более, крепят бетонной, железобетонной, а в сложных гидрогеологических условиях – стальной или чугунной крепью.
Разведочные шурфы, восстающие выработки, стволы шахт с небольшим сроком службы крепят деревом.
Капитальные шахтные стволы при бетонной, каменной, металлической (тюбинговой) крепи имеют круговую форму сечений, вертикальные выработки с деревянной крепью – прямоугольную форму. Эллиптическая или криволинейная форма может быть придана стволу в особых случаях, когда производят реконструкцию ствола и деревянную крепь заменяют каменной или бетонной.
Ствол шахты состоит из трёх основных частей – устья, собственно ствола и зумпфа.
Крепь устья выполняется усиленной конструкции, так как она нередко служит фундаментом для станка надшахтного копра.
Ствол принято разделять на отдельные звенья посредством опорных башмаков, на которые укладываются опорные венцы. Назначение опорных венцов состоит в восприятии нагрузки от веса крепи в пределах одного звена. Высота звеньев принимается 30-50 м и увязывается со стратиграфическим разрезом: опорные венцы приурочивают к более прочным породам. При деревянной крепи высоту звена принимают меньше – 5-15 м.
Деревянная крепь стволов состоит прямоугольных венцов. Венец состоит из четырёх элементов, изготовленных из брусьев или брёвен, связанных между собой посредством той или иной врубки. Венцовая крепь подразделяется на три вида:
- венцовая крепь на стойках,
- сплошная венцовая крепь,
- подвесная венцовая крепь.
Венцовая крепь на стойках является простейшим и достаточно экономичным видом крепи, применяется для крепления шурфов различного назначения - вентиляционных, разведочных, восстающих выработок и др. (рис.3.31).
Р и
с.3.28. Венцовая крепь на стойках.1 - венец, 2 - стойка, 3 - клин, 4 - затяжка, 5 - основной венец, 6 - вруб для заделки основного венца, 7 - расстрел, 8 - вандрут, 9 - проводник, 10 - забутовка.
В деревянной конструкции крепи выделяют элементы, относящиеся к собственно крепи (венцы, стойки, затяжки), и элементы армировки (вандруты, расстрелы, проводники, лестничные полки и лестницы). Расстрелы в совокупности с вандрутами являются усиливающими элементами крепи и служат в основном для подвески проводников – направляющих для подъёмных сосудов.
Венцы устанавливают с интервалом 0.5-1.5 м в зависимости от крепости боковых пород. Между венцами устанавливают несколько стоек, фиксирующих взаимное положение. Стойки устанавливают обязательно по углам и дополнительно по одной - две стойки между длинными элементами крепи. Пространство между венцами затягивается обаполами или досками.
Сплошная венцовая крепь. Применяется в тех же выработках, что и венцовая крепь на стойках, но только при более слабых породах или при более продолжительном сроке службы выработки. Венцы укладываются один на другой всплошную в виде сруба. Армировка при сплошной венцовой крепи ничем не отличается от армировки при венцовой крепи на стойках.
Подвесная венцовая крепь (рис. 3.32). Отличается от крепи на стойках тем, что её можно возводить в направлении сверху вниз. Венцы подвешивают один к другому с помощью крючьев, на концах которых имеется резьба. При этом обеспечивается достаточная жёсткость всей конструкции.
Р
ис. 3.32. Подвесная венцовая крепь.1 – венцы, 2 – стойки, 3 – крючья для подвески, 4 – затяжки, 5 – основной венец, 6 – гайки подвесок, 7 – расстрелы, 8 – проводники.
При расчётах каких-либо конструкций на прочность можно выделить несколько этапов: