CC BY
34
УДК 622.28
Е. Б. Росстальной
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТАМПОНАЖА ЗАКРЕПНОГО ПРОСТРАНСТВА НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ КРЕПЕЙ МЕТОДОМ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
С целью изучения влияния тампонажного слоя в закрепном пространстве на несущую способность комбинированной системы "крепь-тампонаж-массив" в ОАО "Кузниишахтострой" были проведены исследования работы сборных многошарнирных крепей с различными материалами забутовки методом эквивалентных материалов на примере гладкостенной тюбинговой крепи (ГТК).
Выбор эквивалентного материала модели для моделирования горной породы по прочностным свойствам осуществляли в соответствии с принятыми критериями подобия [1].
Выработку моделировали в геометрическом масштабе М 1:20. При выбранном масштабе первоначальная нагрузка, создаваемая домкратами пригруз-ки, подобна величине уН в натуре, тогда нагрузка на модели определялась, как
Р = _р^ = Р .
т Ь/1 20/1
Характеристики прочности подобранного эквивалентного материала в значительной степени зависят от способа уплотнения и величины нагрузок, поэтому определение предела прочности образцов производили после их уплотнения нагрузками, равными предварительным напряжениям в модели, т.е. (0,5-0.6)-105 Па. Как показали лабораторные испытания, по физико-механическим свойствам наиболее подходящим эквивалентным материалом является огнеупорная глина с 23,5 % содержанием влаги. Определение предела прочности материала на срез и модуля упругости проводили на образцах цилиндрической формы диаметром 56 мм и высотой 20 мм при
помощи односрезного прибора П10С [2]. По результатам испытания на срез был построен график, служащий паспортом прочности эквивалентного материала. Всего было испытано 56 образцов по 7-8 образцов для каждой нормальной нагрузки. Коэффициент сцепления эквивалентного материала, подвергавшегося предварительно уплотняющей нагрузке до 0,50,6-105 Па, равен 0,48-105 Па, Н = 500 м. Стабильность физикомеханических свойств материала достигалась предварительным обжатием образцов в течение 20-30 мин нагрузками. Подобранный эквивалентный материал позволял имитировать слабые породы в масштабе М 1:20 со следующими физикомеханическими характеристиками в пересчете на натурные данные: С = 9,6-105 Па, р = 21°, гср = 10-22-105 Па, асж =
30-105 Па.
Исследования работы сборной многошарнирной крепи при забутовке закрепного пространства мелкой породой, с тампонажем закрепного пространства, а также распределение напряжений в массиве модели без крепи проводили на специально сконструированном испыта-
тельном стенде, который позволял создавать в массиве плоско-деформированное состояние с любым соотношением вертикальных и горизонтальных напряжений.
Напряжение в массиве в процессе исследований регистрировали с помощью микродатчиков конструкции ОАО "Кузниишахтострой". Микродатчик состоит из двух грузовых площадок (диаметр 26 мм, площадь сечения 5,31 см). Одна из площадок служила крышкой, дру-
гая - днищем датчика. В крышке установлен шток, который при нагрузке давит на упругую пластину с наклеенными тензодатчиками с базой 10 мм и сопротивлением 100 Ом. Тензодатчики сопротивления соединены между собой в полумост, включаемый в цепь цифрового измерителя деформаций ИДЦ1. Перед помещением в модель микродатчики тарировали на рычажном прессе. Во время изготовления модели в массив кровли и бока выработки закладываются репера для измерений смещений массива, а по вертикальной и горизонтальной осям симметрии - микродатчики для
измерения нормальных Ов
(тангенциальных) и Ог (ради-
альных) напряжений.
Гладкостенную тюбинго-
вую крепь (ГТК) моделировали криволинейными блоками, изготовленными из органического стекла толщиной 10 мм, шириной 35 мм, длиной 85 мм, что соответствует тюбингу в натуре в масштабе М 1:20. В модели выработка крепится 8 кольцами крепи с выположенным обратным сводом. Для измерения напряжений в блоках крепи применяли метод тензометрии. На каждый блок (тюбинг) попарно наклеивали три тензодатчика сопротивления с базой 10 мм. Для того чтобы определить напряжения в сечениях тюбинга, производили тарировку тен-зодатчиков специальным прибором, в результате чего определяли коэффициент тарировки, устанавливающий взаимозависимость между относительной деформацией и изменением сопротивления тензодатчиков.
Нагрузку на крепь выработки определяли по методике проф., д.т.н. Г. А. Каткова [3].
48
Е. Б. Росстальной
Подготовленную к испытаниям модель дополнительно нагружали при помощи гидродомкратов до давления 20-40 атм. и выдерживали в течение 3-5 часов до полного прекращения смещений, т.е. до полного уплотнения материала.
После выдержки материала модели измеряли напряжения нетронутого массива, а затем с помощью специального приспособления проводили выработку диаметром 29 см, что соответствует сечению выработки в свету 5св = 13,3 м2, в проходке Бпр = 23,3м2 и снова измеряли напряжения в массиве. После этого в выработке устанавливали крепь.
Для определения распределения напряжений в массиве и сравнения их с результатами теоретических исследований применительно к упругим и упругопластическим средам исследованы модели без крепи. Образование зоны неупругих деформаций в модели наступало на расстоянии 0,26 м от центра выработки, что соответствует
0,9Я от контура выработки. При этом почти полное совпадение размеров предельных кругов Мора в паспорте прочности эквивалентного материала с величинами напряжений Ов и Ог подтверждает правильность выбора эквивалентного материала и выбранных критериев моделирования.
При моделировании работы
многошарнирной крепи с забутовкой закрепного пространства мелкой породой после сооружения выработки модель крепи, состоящая из блоков, устанавливалась в подготовленную полость отдельными кольцами. Кольцо после его установки тщательно заполнялось мелкими кусками сухой неупругой глины. Тензометрические элементы крепи устанавливались в центре модели двумя полными кольцами.
Для оценки несущей способности системы "крепь-
забутовка-массив" нагружение массива модели осуществляли ступенчато, вплоть до разрушения крепи. Ступень нагружения модели равнялась 0,56-105 Па. С целью исключения явления ползучести эквивалентного материала после каждого нагружения модель выдерживали под этой нагрузкой в течение трех часов и только после этого производили замер напряжений в модели и в элементах крепи.
В результате испытания данной модели крепь потеряла свою устойчивость при внешней нагрузке: по вертикальной оси Р = 1,68-105 Па, по горизонтальной оси Р = 1,12-105 Па. Коэффициент бокового давления при этом составил Л = 0,66. Максимальные напряжения в массиве на контуре выработки составили: в кровле Ог = 0,4-10 Па, Ов = 2,0-105 Па.
На графиках распределения
напряжений в массиве на момент разрушения крепи (рис. 1, а) видно, что напряжения на контуре выработки в момент потери ее устойчивости выросли на 0,2-105 Па, то есть на 10 % по сравнению с незакрепленной выработкой, в то же время размер зоны неупругих деформаций уменьшился на 8 см, или на 32,5 %.
В соответствии с методикой проведения исследований одновременно с измерениями напряжений в массиве модели проводили измерения напряжений в элементах крепи на каждой стадии (ступени) нагружения модели: I ступень 1,12-105 Па / 1,12-105 Па, Л = 1; II ступень 1,68-105 Па / 1,68-105 Па, Л = 0,66. Разрушение модели произошло на II ступени нагружения. При моделировании работы многошарнирной крепи с тампонажем закрепного пространства аналогично предыдущей модели при ее испытании измеряли напряжения в массиве до нагрузки на модель, равной от = 2,24-105 Па / 1,12-105 Па. Коэффициент бокового давления при этом составил 0,44. Как показывают результаты расчетов, наиболее благоприятные условия работы многошарнирной крепи достигаются при коэффициенте бокового давления Л = 1. В данном случае многошарнирная крепь находилась в менее благоприятных условиях, чем в предыду-
а б
Рис. 1. Графики распределения напряжений в массиве, закрепленной многошарнирной крепью с забутовкой закрепного пространства мелкой породой (а) и тампонажом (б):
---- незакрепленная выработка;-------------крепь ГТК с забутовкой породной мелочью
Результаты измерений нагрузок на крепь
Место проведения измерений Средняя нагрузка крепь (10) Па, при которой выработка теряет устойчивость Рт/Рз
С тампонажем закрепного пространства Рт С забутовкой породной мелочью Рз
в кровле 1,66 0,68 2,44
в боках 2,65 1,51 1,77
в почве 1,96 1,09 1,83
по периметру 2,13
щем случае, так как при испытании крепи с забутовкой породной мелочью Л = 0,66. В отличие от модели крепи с забутовкой закрепного пространства породой в данном случае разрушение крепи не наблюдалось даже при приложении к ней нагрузки со стороны массива, превышающей прежнюю на 34 % (максимальные напряжения на контуре выработки в боках составили 3.1-105 Па) без образования зоны неупругих деформаций. Измерение напряжений в крепи показывает, что тампонаж закрепного пространства обеспечивает более равномерное распределение нагрузок по периметру крепи, чем при креплении выработок с забутов-
кой мелкой породой. Графики распределения напряжений в массиве приведены на рис. 1.
Результаты измерений нагрузок на крепь в модели приведены в таблице.
Согласно данным, таблицы, выработка, закрепленная кре-
пью ГТК с забутовкой мелкой породой, теряет устойчивость при нагрузках на крепь в среднем в 2,13 раза меньших, чем при креплении крепью ГТК в сочетании с тампонажом за-крепного пространства
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузнецов, Г. Н. Моделирование проявлений горного давления. - М. : - Недра, 1978.
2. Катков, Г. А. Исследование горного давления с применением фотоупругих элементов. - М. : - Недра, 1978. - 131 с.
3. Техническое описание и инструкция по эксплуатации: Прибор для испытания грунтов на сдвиг П10С. - М. : Внешторгиздат, 25489/75 (4953).
□ Автор статьи:
Росстальной Евгений Борисович - соискатель кафедры теоретической и геотехнической механики
УДК 622.ЭЭ: 550.372
Е. Б. Росстальной
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОМБИНИРОВАННОГО КРЕПЛЕНИЯ ВЫРАБОТОК С ПРИМЕНЕНИЕМ СТАЛЕБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Инъекционное укрепление приконтурного слоя пород приводит к формированию несущего слоя, способного обеспечивать устойчивость выработки. Применение инъекционного упрочнения в сочетании с традиционными видами крепи (бетонной, арочной металлической, анкерной и др.) в целом ряде случаев способствует оптимизации затрат на поддержание выработок в устойчивом состоянии [1].
Технология управляемого
инъектирования горных пород и создания тем самым вокруг выработки несущей оболочки из зацементированного массива включает бурение скважин, определение распределения по скважине поглощающей способности пород, искусственное изменение гидродинамического сопротивления пород пропорционально поглощающей способности и нагнетание цементного раствора в скважины. Данная технология позволяет обеспечить равномерное распро-
странение раствора от нагнетательной скважины в породном массиве с неоднородной трещиноватостью, что способствует повышению качества инъектирования. Данный метод управления состоянием массива трудоемок, поскольку требует большого объема буровых работ, измерений поглощающей способности пород и изменения их гидродинамического сопротивления. При этом тампонирование пород, как правило, ведут параллельно с установкой обыч-
