Выбор рациональных конструктивных параметров рамных крепей для условий поддержания выработок в пучащих породах Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

С

СЕМИНАР 6.................................

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ 'НЕДЕЛЯ: ГОРНЯКА -

МОСКВА, МГГУ, :25.01.99 - 29.0t.99:

і: і: , ^ С.Б. Тулуб, В.И. Костогрыз, :: І:

В.Д. Железняк, ;2000 :

УДК 622.83 ::::::

С.Б. Тулуб, В.И. Костогрыз, В.Д. Железняк

ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАМНЫХ КРЕПЕЙ ДЛЯ УСЛОВИЙ ПОДДЕРЖАНИЯ ВЫРАБОТОК В ПУЧАЩИХ ПОРОДАХ

книш не всегда шшчаютшш:

бованиям.

С целью выбора и оптимизации конструктивных параметров рамных крепей применительно к условиям поддержания выработок на шахтах Центрального Донбасса выполнены лабораторные исследования на моделях из эквивалентных материалов. Это - один из наиболее освоенных методов, который позволяет получить достаточно полную качественную картину процессов, происходящих во вмещающем горную выработку массиве под воздействием внешних нагрузок.

Моделирование выполнено в лаборатории кафедры строительства шахт и подземных сооружений НГА Украины в соответствии с работами [1,2].

В качестве эквивалентного материала выбрана песчано-парафинографитовая смесь с добавлением солидола в соотношениях 90,8: 2: 0,7: 0,5 % соответственно. Такой состав наиболее полно отвечает физикомеханическим характеристикам исследуемых пород в реальных условиях.

Работы по моделированию проводили на специальном стенде, представляющем собой плоскую камеру с передней прозрачной стенкой из оргстекла и систему рычажных домкратов. При испытаниях в камеру закатывали разогретый эквивалентный материал. После его остывания под нагрузкой снимали переднюю стенку, наносили мерную сетку, производили «проходку выработки», в которой устанавливали крепь с замками подат-

ооружение и эксплуатация горных выработок на угольных шахтах Центрального Донбасса сопряжены с большими объемами ремонтновосстановительных работ. Это объясняется, в первую очередь низкой прочностью вмещающего угольные пласты массива, представленного в бассейне слабометаморфизированны-ми глинистыми породами. Вторым усугубляющим фактором является склонность пород к резкой потере несущей способности при их влагона-сыщении. Даже небольшое количество воды, например, от промывке шпуров при их бурении, создает в приконтурном массиве пластическую зону, которая не обладает несущими свойствами, а участвует лишь в передаче внешних нагрузок и их перераспределении по контуру крепежных рам. кроме того, при увлажнении глинистые породы увеличиваются в объеме (набухают), что дополнительно изменяет величину и характер нагрузок на крепь.

В этих условиях к конструкциям крепи предъявляются дополнительные требования, среди которых, наряду с повышенной несущей способностью, обязательным является соответствие формы крепежной рамы -кривой давления на нее, а также увеличенный запас конструктивной податливости. Поэтому, применяющиеся на шахтах бассейна традиционные арочные крепи с прямолинейными или наклонными стойками (АПк,

ливости, изготовленную из алюминиевой фольги. Затем камеру закрывали оргстеклом и с помощью рычажных домкратов загружали моделируемый массив. Нагрузку задавали с интервалом в 5 кг. Возникающие при этом деформации мерной сетки регистрировали на каждом і-м этапе нагружения с помощью фотоаппарата, установленного в одном положении на время всего эксперимента. качественную картину поведения массива строили на основании изучения измерений фиксированного квадрата мерной сетки на фотоснимках.

Для исследуемых вариантов выбирали шесть основных сочетаний форм крепей и сечений выработок: круглой незакрепленной, арочной формы с вертикальными стенками и незамкнутой крепью, арочной формы с наклонными стенками и незамкнутой крепью, арочной формы с подковообразной незамкнутой крепью, арочной формы с вертикальными стенками и замкнутой крепью, круглой формы с кольцевой крепью.

Графическая зависимость, отражающая характер деформирования породного массива в окрестности одиночной выработки строилась в системе координат «Е - Р», где Е - относительные изменения размеров фиксированного квадрата мерной сетки; Р- нагрузка на конце рычага домкрата (величина, пропорциональная напряжениям, действующим в моделируемом массиве).

Уровень потенциальной энергии в приконтурной части выработки оценивался отношением

П =

Рг-1 - Рг

Еі-1 - Ег

Рис. 1. Характер деформирования массива в окрестности круглой незакрепленной выработки (а) и изменение его энергетического состояния (б) в почве (1) и кровле (2).

Чем выше уровень потенциальной энергии, тем меньше величина перемещений, вызванных разрушением структурных связей массива.

На рис.1, а показан характер деформирования приконтурного массива в кровле (1) и почве (2) незакрепленной выработки круглой формы в зависимости от величины внешней нагрузки. Отчетливо прослеживаются три характерных области: ОА (ОА ) -упругого деформирования, АВ (А В ) -пластического разупрочнения и разрыхления и ВС (В С ) - пучения пород почвы. Изменение энергетического состояния приконтурного массива в процессе нагружения видно на рис.1, б. Здесь также выражены три ха-терные энергетические зоны, сов-дающие с соответствующими об-тями деформирования. Наиболее сокий уровень потенциальной энергии в окрестности выработки отвечает ругой стадии деформирования (I). тем происходит разрушение при-турного массива в пределах области неупругих деформаций. Часть по-циальной энергии при этом расходуется на разрыв структурных связей и уровень ее снижается (II). Вспучивание пород

почвы приводит к такому изменению формы выработки, при которой контурный массив не в состоянии держать прежний уровень альной энергии. Переход в новую энергетическую зону (Ш) со-ется резким увеличением смещений пород почвы и их уменьшением в кровле выработки.

Следует отметить, что во всех опытах нагрузка прикладывалась ступенчато, с соответствующей гистрацией смещений точек ва. Это способствовало появлению на графике (рис.1, б) ступенчатой диаграммы энергетических состояний. В случае же плавно тающей нагрузки и непрерывной регистрации смещений

ванных точек массива была бы лучена некоторая плавная кривая, характеризующая переход из одной энергетической области в другую. Возможный вид ее также показан на этом рисунке.

Аналогичные исследования проводились для остальных выше отмеченных моделей, которые показали, что наиболее высокий уровень чивости приконтурного массива печивают замкнутые конструкции крепей.

Наименее благоприятными по устойчивости являются крепи с прямолинейными стойками -арочная с вертикальными

ками и шатрового типа. Смещения контуров выработок, ленных такими крепями ходят с боков уже на начальной стадии нагружения моделей. Стойки крепей быстро руются, что препятствует

тыванию замков податливости. В дальнейшем, по мере увеличения нагрузки, появляется пучение и интенсифицируются боковые деформации с заполнением большей части сечения выработки. Формы крепежных рам сильно искажаются и практически не влияют на процессы деформирования пород.

Подковообразная форма крепи по показателю устойчивости занимает не-

которое среднее положение между замкнутыми крепями и крепями с прямолинейными стойками. Уменьшение размера поперечного сечения выработки с подковообразной крепью по мере повышения нагрузки на модель происходит почти без изменения формы крепи и на меньшие, чем у крепей с прямолинейными стойками, значения. Замки податливости срабатывали во всех опытах при их дублировании.

Результирующие графики деформации пород почвы приведены на рис.2. Из их анализа следует, что в исследуемых условиях наиболее радикальным средством борьбы с пучением пород являются замкнутые крепи. Наиболее целесообразно в этом плане применение кольцевой крепи.

конструкции крепей с прямолинейными стойками практически не влияют на устойчивость пород почвы.

Подковообразные крепи также не обеспечивают полного предотвращения пучения пород почвы, однако несколько уменьшают интенсивность этого процесса и сохраняют форму сечения выработки, а значит и ее расчетную несущую способность, что позволит уменьшить объем подрывок почвы и перекреплений в выработках. Такой вариант поддержания вырабо-

ток в условиях пучащих пород может оказаться вполне конкурентоспособным по отношению к замкнутым крепям, если учесть трудоемкость и стоимость их возведения в нынешних экономических условиях.

С учетом изложенного арочная крепь подковообразной формы рекомендуется для испытаний непосредственно в шахтных условиях.

Рис. 2. Характер деформирования пород почвы одиночных выработок:

1 - арочной с вертикальными стойками; 2 - шатровой; 3 - арочной с обратным сводом; 4 -кольцевой; 5 - подковообразной; 6 -незакрепленной

Московский государственный горный университет

1. Кузнец°в Г.Н. Экспериментальные методы исследования 2. Шашенко А.Н. Устойчивость подземных выработок в неод-

в°пр°с°в горного давжнм // Труды совещания по управлению гор- нородном породном массива./Автореф. „.д-ра. техн. наук.- Днепро-

ным давлением.-М.: Углетехиздат, 1948.- С.9-149. петровск, 1988.-38с.

7

Ту:луб С.Б. кандидаI технических наук, Национальная I орная академия Украины. Костогрыз В.И. кандидат технических наук, Национальная юрная академия Украины.

Железняк В.Д.— инженер, Национальная горная академия Украины. _______________________________________________________________/