Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса, цели и задачи исследований 9
1.1. Классификация сложных горно-геологических условий 9
1.2. Обзор условий проведения и крепления горных выработок месторождения Хэтам-Куантнинь
1.2.1. Горно-геологические условия месторождения Хэтам-Куангнинь 12
1.2.2. Анализ состояния проведения и эксплуатации горных выработок месторождения Хэтам-Куангнинь 17
1.3. Анализ типов крепей горных выработок и условий их
применения 31
Основные выводы, цели и задачи исследований 48
Аналитические исследования напряженно деформированного состояния массива горных пород вокруг выработок на основе метода конечных элементов 50
2.1. Общие положения 50
2.2. Методика исследований 53
2.3. Обзор программы «Phase 2»
2.3.1. Общий обзор 54
2.3.2. Напряженно-деформированная связь треугольных элементов в программе Phase 2 2.4. Методы решения 60
2.5. Результаты расчета 66
2.5.1. Исследование влияния дилатансии на напряженно деформированное состояние массива горных пород вокруг
выработок з
2.5.2. Исследование напряженно-деформированного состояния вокруг незакрепленной выработки в условиях f = 2 - 5, Snp= 13 -18,1 м2, Н = 300 - 600 м 72
2.5.3. Исследование напряженно-деформированного состояния вокруг горных выработок в запредельной стадии деформирования 74
Выводы по главе 2 91
Исследования проявления горного давления в выработках и стендовые испытания крепей 93
3.1. Исследования проявления горного давления в выработках в натурных условиях 93
3.1.1. Методика исследований 93
3.1.2. Результаты инструментальных наблюдений 95
3.2. Экспериментальные исследования работы металлических крепей на стендах 116
3.2.1. Испытания металлических арочных податливых крепей 124
3.2.2. Испытания металлических крепей с повышенной несущей способностью 125
Выводы по главе 3 130
Обоснование технологических и конструктивных параметров крепления горизонтальных горных выработок в горно-геологических условиях месторождения хэтам-куангнинь 132
4.1. Общие положения 132
4.2. Методика выбора типа крепи и определения ее параметров на основе аналитических и экспериментальных исследований... 133
4.2.1. Формирование нагрузки в условиях совместного деформирования крепи и массива 133
4.2.2. Расчет параметров основной крепи горных выработок в условиях месторождения Хэтам-Куангнинь 137
4.2.3. Алгоритм расчета шага установки и типа крепи горных выработок по предлагаемой методике 140
4.2.4. Пример расчета параметров крепи по предлагаемой методике 1 4.3. Рекомендации по конструктивно-технологическим проектным решениям крепей горных выработок в различных горногеологических условиях 143
4.4. Технико-экономическая эффективность применения комбинированной крепи из металлической арочной конструкции и набрызгбетона 152
Выводы по главе 4 159
Заключение 160
Список литературных использований
- Горно-геологические условия месторождения Хэтам-Куангнинь
- Напряженно-деформированная связь треугольных элементов в программе Phase 2 2.4. Методы решения
- Экспериментальные исследования работы металлических крепей на стендах
- Расчет параметров основной крепи горных выработок в условиях месторождения Хэтам-Куангнинь
Введение к работе
Актуальность работы. Основными направлениями развития угольной промышленности Вьетнама на 2010-^2015 годы и на период до 2025 года предусмотрено довести добычу угля до 80-85 млн.тонн в год.
Основной прирост добычи будет осуществлен за счёт реконструкции действующих шахт. Ежегодно глубина разработки угольных шахт возрастает: средняя глубина шахт в 2010 г. -100 м; в 2015 г. -300 м; в 2025 г. -600 м. Горногеологические условия, в которых сооружаются капитальные горные выработки, постоянно усложняются (увеличение глубины, изменение прочностных свойств горных пород).
Основными видами крепи горных выработок шахт Хэтамского угольного бассейна являются металлическая крепь из СВП и металлобетон. Ежегодно около 27% от общей протяженности выработок, закрепленных крепью из СВП, деформируются и требуют перекрепления, что приводит к большим экономическим затратам.
В сложных геомеханических условиях, под которыми следует понимать такие условия, при которых при проведении выработок в зависимости от типа вмещающих пород происходят образование значительных областей разрушения или не затухающие во времени пластические деформации породного массива, отмечаются снижение скорости проходки и увеличение затрат на проведение и ремонт выработок, что обусловлено главным образом интенсивной трещиноватостью и смещениями породного массива.
Хэтамское месторождение имеет 17 угольных пластов, в том числе 8
угольных пластов имеют неустойчивые мощности и 14 угольных пластов, в
которых имеются сложные переслаивания, вмещающих горных пород. Эти
факторы осложняют проходку и крепление горных выработок, затраты на
крепление и поддержание горных выработок постоянно возрастают. В
настоящее время вопросы выбора типа и конструкции крепи регламентируются
одним нормативным документом - это альбом типовых сечений, который
разработан для глубины до 200 м без каких-либо методов расчета и методики
определения их параметров. Таким образом, обоснование прогрессивных конструкций и параметров крепей, обеспечивающих устойчивость горных выработок в сложных геомеханических условиях, является актуальной научной задачей.
Цель работы состоит в обосновании параметров крепей горизонтальных горных выработок в сложных геомеханических условиях на основе установления закономерностей деформирования системы «крепь-массив» для обеспечения устойчивости горных выработок при снижении материальных затрат на их крепление.
Идея работы заключается в комплексном учете факторов (дилатансии, глубины заложения горных выработок, конструктивных характеристик крепей, физико-механических свойств пород), влияющих на выбор параметров крепей и технологию их возведения при строительстве горизонтальных горных выработок в сложных геомеханических условиях месторождения Хэтам- Куангнинь, на основе изучения взаимодействия крепей из СВП с элементами их усиления и массивом горных пород.
Методы исследования. При выполнении работы использован комплексный метод исследований, включающий методы математической статистики и теории вероятностей, корреляционный и регрессионный анализ, экспериментальные натурные исследования, применение современных методов компьютерного моделирования породного массива, находящегося под влиянием горно-геологических факторов, осложняющих условия поддержания горных выработок.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
установлено, что в исследуемом диапазоне условий напряжения на контакте системы «крепь-массив» увеличиваются в среднем в 2,0 раза, а при напряжениях на контакте системы «крепь-массив», равных (1,0 - 1,5)уН, деформация горных пород происходит без образования зоны неупругих деформаций вокруг выработки;
установлено, что начальные смещения породного контура до момента
ввода крепи в работу не превышают 43 мм, а максимальные ожидаемые
смещения породного контура к моменту установления статического равновесия в системе «крепь-массив» могут достигать 810 мм и стабилизируются через 60110 суток на расстоянии 4-5 радиусов от контура выработки;
установлено, что с учетом явления дилатансии горных пород в допредельной стадии деформирования, смещения на контуре горных выработок возрастают, но не превышают 20% по сравнению с расчетными смещениями без учета эффекта дилатансии, а в запредельной стадии деформирования смещения возрастают в среднем на 85%, однако при увеличении жесткости крепи общие смещения системы «крепь-массив» снижаются на 35-50%.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:
корректной постановкой задачи и использованием апробированных методов численного моделирования;
значительным объемом экспериментальных исследований по определению смещений контура закрепленных выработок на 9 замерных станциях;
использованием опыта ведущих зарубежных фирм в области проектирования и расчета крепей горных выработок;
сопоставлением аналитических результатов исследований с натурными наблюдениями и их совпадением на 85-90%.
Научная новизна работы состоит в установлении закономерностей комплексного влияния факторов (дилатансии, конструктивных характеристик крепей, глубины заложения выработок, геомеханических свойств массива горных пород) на напряженно-деформированное состояние системы «крепь- массив», построении функции величины начальных смещений породного контура в зависимости от основных исследуемых параметров, построении функции прогнозирования ожидаемых смещений системы «крепь-массив» вокруг выработок, позволяющих определить конструктивно-технологические параметры крепей горных выработок в сложных геомеханических условиях месторождения Хэтам-Куангнинь.
Научное значение работы состоит в получении зависимостей по определению параметров совместного деформирования массива горных пород и крепи выработок на основе аналитических и натурных исследований в сложных геомеханических условиях.
Практическое значение работы заключается в разработке "Рекомендаций по выбору конструктивных параметров крепей горных выработок в сложных геомеханических условиях", позволяющих существенно сократить материальные затраты.
Реализация выводов и рекомендаций. Разработанная методика выбора параметров крепей применяется для проектирования горных выработок на шахтах месторождения Хэтам-Куангнинь.
Апробация работы. Основные положения докладывались на международном научном симпозиуме «Неделя горняка - 2013», обсуждались на кафедре СПСиШ МГГУ в 2011, 2012, 2013 г.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 6 научных работ, из них 4 работы в изданиях, входящих в перечень ВАК Минобнауки России.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, содержит список литературы из 69 наименований, 52 таблицы, 78 рисунков.
Автор выражает благодарность научному руководителю докт. техн. наук, проф., Франкевичу Г.С. и проф. Пшеничному В.А. за ценные научные консультации и замечания при выполнении работы и преподавателям кафедры СПСиШ МГГУ, работникам проектных и производственных организаций за оказанную помощь при выполнении отдельных исследований.
Горно-геологические условия месторождения Хэтам-Куангнинь
Непосредственно в кровле и почве угольных пластов залегают, как правило, наименее устойчивые аргиллиты, предел прочности которых по показателю временного сопротивления при одноосном сжатии колеблется с
11.8 до 24,5 МПа; Прочность песчаников и алевролитов, залегающих в стратиграфии месторождении Хэтама, колеблется от 18,7 до 63,4 МПа и от 10 до 60,4 МПа соответственно. Конгломерат - мелкозернистый песчаник: 39,4 60.8 МПа. Остаточная прочность горных пород RQ В условиях одноосного сжатия изменяется обычно в интервал 13-35% , в породах R = 20-50 МПа в интервал 23-35% (см. табл. 1.1). Наличие слабых вмещающих пород (RC}K=10; 20 , 30 МПа) оказывает весьма отрицательное влияние на устойчивость горных выработок.
Оценивая состояние реального массива горных пород на угольных месторождениях Вьетнама в горно-геологические условия на шахтах Вьетнама можно отнести к III и IV категорий, т.е. к очень неустойчивым и сильно неустойчивым (СНиП П-94-80[50]).
Характеристики подземных вод - Вода на четвертичном слое (Q): Четвертичный слой популярно распределяется на площади месторождения. Составом первоочередного слоя являются песок и глинисто-песчаный, их мощность изменяется от 0,5 м. До 8,5 м.. Водный дебит наблюдается на скважинах от 0,011 до 9,55 л/с и высыхает осенью. Вода на этом слое не влияет на эксплуатационных процессов месторождения.
Первый водосборный слой: состоит из водосборных каменных слоев, залегающих между угольными пластами от П.16 до П.13, распределяющих на центре БаоЗа. Этот слой имеет более водообильности, чем другие водосборные слои в стратиграфии. Водный уровень наблюдается в скважинах от 6,24 м до 17,82 м. В экспериментальных скважинах удельный дебит q = 0,005 -Ю,0181(л/мс), коэффициент проницаемости к= 0,0094 -г 0,0238 (М/сутки). + Второй водосборный слой: Состоит из водосборных каменных слоев, залегающих между угольными пластами от П.12 до П.9, равномерно распределенных по площади месторождения, водосборными породами преимущественно являются песчаник и псаммит. Уровень воды наблюдается в скважинах от 1,13 м до 5,88 м. В экспериментальных скважинах имеется удельный дебит от 0,00121 до 0,00491(л/мс).
Третий водосборный слой: Состоит из водосборных каменных слоев, залегающих между угольными пластами от П. 8 до П. 5, равномерно распределенных по площади месторождения. Этот слой находится глубже, чем два вышеизложенных слоя (первый слой и второй слой). Уровень воды наблюдается в скважинах от 1,34 м до 5,86 м. В экспериментальных скважинах имеется удельный дебит от 0,00121 до 0,0241(л/мс), коэффициент проницаемости к = 0,002 -ь 0,014 (м/сутки).
Воды в разломах: В Хэтамском месторождении имеется много сбросов, большинство сбросы имеют направления параллели и меридиана. Изучение вод в разломах одновременно ведётся с разведочными процессами. В скважинах чаще встречаются кварцевые обрывки, песок, порошок, смесь глин, и степень соединения этих материй обрывочным. Отобранный керн очень мягкий, рыхлый, легко крошится руками. В толщах имеется очень много трещин, содержание воды очень мало. Коэффициент проницаемости очень меньше, чем обычные породы, например: сброс F.A - К = 0,0043 м/сутки ( LK.2569), сброс F.B- К = 0,006 м/сутки ( LK.912), сброс "Бак хуй"- К = 0,00227 м/сутки ( LK.918).
Влажность воздуха W (%) на территории шахт месторождения Хэтамского бассейна: Смесь атмосфера воздуха и газов, выделяющихся в шахте, заполняющая горные выработки. Влажность воздуха ввода в шахту изменяется от 74 до 90%, которая приведена на рис. 1.3.
Компонентами рудничного месторождения Хэтама являются углекислый газ, метан, азот, газообразный водород и др., которые разделяются на две газовых зоны: - Газовая выветрелая зона, в которой имеются (углекислый газ + азот) и (азот и метан), которые располагаются с уровня +50 наверх. - газовая зона метана располагается с уровня +50 вниз, поэтому горизонты разработки +40-ь -150 относятся к газоопасному месторождению П-Ш степени. Горизонты разработки от -150 до -350 м относятся к газоопасному месторождению III степени и выше.
В настоящее время доля добычи угля подземным способом составляет около 70-75% от общей добычи [42, 43, 51]. Интенсивная разработка угольных месторождений Хэтама приведет к увеличению доли подземной добычи угля, так как запасы угля, пригодные для разработки подземным способом составляют 93% общих запасов.
Угольные месторождения вскрыты разнообразными способами, в основном, наклонными и вертикальными стволами, реже штольнями. Схема вскрытия обычно применяются горизонтальные выработки. На большинстве шахт применяется система разработки длинными столбами по простиранию и комбинированная система. Для разработки мощных пластов (30-50 м) применяется система разработки горизонтальными слоями.
Проведение горных выработок осуществляется буровзрывным способом. Уровень механизации при проходке горных выработок достигает 5-10% (из проходческих угольных комбайнов AM-50Z, проходческих породных комбайнов AM-105IC и АМ-75 ). Средние темпы проходки горных выработок по породе составляют 50-70 м/месс, а по углю 90-110 м/мес. Анализ характеристики выработок угольных месторождений Хэтама позволяет отметить, что в основном они имеют арочную форму с площадью поперечного сечения в проходке 6,1- 24 м2 (табл. 1.2). Основными видами крепи горных выработок являются следующие конструкции: (табл. 1.2).
Напряженно-деформированная связь треугольных элементов в программе Phase 2 2.4. Методы решения
Метод конечных элементов позволяет решать объемные задачи, при этом рассматриваемая область разбивается на объемные элементы, а также учитывать пластичные деформации массива и конструкций. Трудоемкость таких расчетов значительно возрастает.
В программе Phase 2 деление сетки производится самостоятельно, таким образом, можно калькулировать напряжение и деформации в любом элементе, находящемся в положениях вокруг пролета подземных сооружений с начальными условиями. В результате этого можно установить закономерности механического изменения в породном массиве вокруг пролёта подземных сооружений.
Задача решается методом конечных элементов. Для разбивки модели на конечные элементы предварительно выделяются предполагаемые области сгущения сетки, в которых ожидаются высокие амплитуды изменения напряжений массива. Эти области, как правило, расположены на контуре и особенно, в узлах выработки. Таким образом, для получения подробной картины распределения напряжений в приконтурном массиве горных пород, окружающих выработку, назначаются поверхности сгущения сетки элементов до размера 15 мм - по кровле, до размера 300 мм - по почве и до размера 235 -280 мм по бокам выработки. Для сокращения количества элементов всей модели в целом и экономии времени расчета размеры сетки элементов в направлении к периферии модели постепенно увеличиваются, достигая размеров 5R . В результате разбивки модели на конечные элементы, в соответствии с указанными параметрами сгущения и разряжения сетки, получилось 1989; 2083; 2145 элементов массива трехугольной формы и 4060; 4250; 4372 узла
В расчетах используем реальные горно-геологические условия месторождения Хэтам-Куангнинь, в стратиграфии которого сопротивление сжатию горных пород колеблется в широком диапазоне (табл. 1.1), но наиболее часто встречаемые породы имеют сопротивление сжатию от 20 до 50 МПа, в которых горизонтальные горные выработки теряют устойчивость. Поэтому автор лишь обосновывает способы обеспечения устойчивости горизонтальных горных выработок в массиве, при котором сопротивление сжатию горных пород колеблется от 20 до 50 МПа [11, 46]. Горно-геологические условия, в которых моделируют горные выработки, приведены в табл. 1.1.
Расматриваемые задачи в зависимости от параметров Snp, Н и характеристики горных пород приведены в таблицах 2.2; 2.3; 2.4. Исследование изменения напряженно-деформированного состояния вокруг горных выработок осуществляется численным способом "Phase 2", результаты задач приведены в следующей главе.
Расчетная схема напряженно-деформированного состояния массива вокруг горных выработок Рассмотрено изменение компонентов глубины расположения горных выработок и площади сечения горных выработок в проходке и физико-механических свойств горных пород.
Для расчета используется современная система инженерных расчетов "Phase 2", позволяющая сочетать двухмерные возможности и наглядную пространственную визуализацию результатов расчета. После машинного счета на экран выводится цветная карта изохром распределения напряжений, смещений в массиве исследуемой модели. Для построения графика распределения напряжений, смещений на печать для каждой из моделей выводятся изохромы распределения напряжений ач-сте и смещений U в поперечных сечениях выработки в моменте установки крепи на различных глубинах. Для примера визуализации результатов расчета в "Phase 2" на рис. 2.12 приведена изохрома распределения напряжений оч, Се, U в поперечном сечении выработки без крепи на глубине 300 м (модели 1). 2.6.1. Исследование влияния дилатансии на напряженно-деформированное состояние массива горных пород вокруг выработок
Считают [2, 3, 4], что дилатансия - увеличение объема испытываемых образцов горных пород при их деформировании связано с образованием в них микротрещин. Изучение данного явления является весьма важным, так смещение пород в приконтурной части горных выработок обусловлено в том числе и этой причиной.
Исследование дилатансии горных пород по времени выполнено в лаборатории ХИГНиТ (Ханойский институт горной науки и технологии) по следующей методике [23]: - материалы: глина, глиноуголь, алевролит, песчаник, выделенные из монолитного блока в натурных условиях, защищенные от влаги в отдельном пакете. - образцы размельчают до размера ( 1 мм). - образцы укладывают в металлическую трубу (050 мм, высота 70 мм), на стенах которой имеются отверстия для того, чтобы вода легко просочилась. - высота опытного образца в трубе составляет 3 см, затем труба закрывается металлическим листом, на котором устанавливают индикаторы часового типа. (см. рис. 2.8). - наблюдения движения индикаторов часового типа по времени в статистической таблице.
Экспериментальные исследования работы металлических крепей на стендах
Для получения данных о характере проявлений горного давления шахтные натурные исследования должны включать в себя визуальные наблюдения с целью качественной оценки состояния крепи и вмещающих пород, , изучение полного комплекса физико-механических свойств горных пород и определение количественных закономерностей сдвижения массива пород в окрестности выработок.
Для измерения смещений массива горных пород, окружающих выработку, принят метод установки глубинных реперов. Замерные станции были установлены на контрольном и экспериментальном участках. В скважине, пробуренные в кровлю выработки на глубину по 3,5 м с диаметром 32 мм, устанавливались глубинные репера типа анкера (рис.3.1). Относительные смещения реперов в вертикальном направлении измерились с помощью линеек, установленных на устье шпуры. В каждой скважине устанавливалось 2 репера анкерного типа на различной глубине. Линейка А присоединяется с репером А через одну проволоку, линейка В - с репером В через одну проволоку.
Все станции устанавливались на расстоянии 1,5 м от груди забоя выработки. Непременным условием при установке станции был отбор проб горных пород с последующем определением их физико - механических свойств.
В комплекс исследований физико - механических свойств горных пород входили: - предел прочности при сжатии, МПа; - предел прочности при растяжении, МПа; - угол внутреннего трения, град.; - удельный вес у, мн/м ; - сцепление, МПа. Прочностные показатели пород в районе замерной станции определялись по стандартной методике на образцах правильной цилиндрической формы диаметром 30±1 мм с отношением высоты к метру равным двум. /1, 36, При определении геомеханического состояния окружающего массива определялась средневзвешенная прочность пород в кровле выработки на расстоянии трех ее радиусов.
Для изучения закономерностей смещений горных пород вблизи выработок на трех шахтах месторождения Хэтам-Куангнинь «Дыонгхуй, Донгбак, Хэчам» были оборудованы 9 наблюдательных станций с глубинными реперами анкерного типа. На шахте «Дыонгхуй» оборудованы 4 станции на горизонте +38 м. Две станции оборудованы на шахте «Донгбак» на горизонте +100 м. Три станции оборудованы на шахте «Хэчам». Наблюдательные станции заложены на глубинах от 200 до 300 м в породах с пределом прочности горных пород на одноосное сжатие R = 20-47 МПа (объемный вес горных пород у = 0,0235-0,025 МН/м3, модуль деформации массива Е =1000+7000 МПа), и площади сечения выработок в свету SCB=7,6-42,8 м2 . Отсюда видно, что величина отношения yH/R в местах наблюдательных станций отличается в 2,18 раза, принимая значения от 0,155 до 0,34. Такое расположение наблюдательных станций позволяет установить зависимости смещений системы «крепь-массив» вокруг выработок от глубины их заложения, свойств горных пород и площади сечения выработок, а также прогнозировать ожидаемые смещения системы «крепь-массив» на глубинах от 300 до 600 м.
«Донгбак», Полевой откаточный квершлаг 100-IV (№9) 8,5 0,0245 38 11,1 250 3230 35,41 0,789 3амерная станция №1: На шахте «Дыонгхуй» в южном полевом откаточном штреке П6 гор. +38 была установлена замерная станция по измерению смещений массива, окружающего выработку. Схема реперной станции №1 представлена на рис. 3.2. На участке установки станции породы представлены песчаниками. Прочностные показатели песчаников, находящихся вокруг горной выработки, представлены в таблице 3.1.
Сведения смещений реперов по времени показаны в таблице 3.2. Из них построены графики, которые представлены на рис. 3.2. Из графика на рисунке видно, что смещения реперов, расположенных на контуре выработки, за 150 суток составили в вертикальной скважине соответственно 230 мм. Интенсивное смещение массива наблюдалось в течение 45 дней со дня установки крепей. За этот период было реализовано 85% конечных смещений.
Графики смещений массива горных пород на экспериментальном участке № 3амерная станция №2: На шахте «Дыонгхуй» в откаточном квершлаге 38-П гор.+38 (№2) была установлена замерная станция по измерению смещений массива, окружающего выработку. Схема реперной станции №2 представлена на рис. 3.4. На участке установки станции породы представлены алевролитами. Прочностные показатели алевролитов представлены в таблице 3.1.
Сведения смещений реперов по времени показаны в таблице 3.3. Из них построены графики, которые представлены на рис. 3.5. Из графика на рисунке видно, что смещения реперов, расположенных на контуре выработки, за 130 суток составили в вертикальной скважине соответственно 68 мм. Интенсивное смещение массива наблюдалось в течение 40 дней со дня установки крепей. За этот период было реализовано 90% конечных смещений.
3амерная станция №3: На шахте «Дыонгхуй» в откаточном квершлаге +38-111 была установлена замерная станция по измерению смещений массива, окружающего выработку. Схема реперной станции №3 представлена на рис. 3.6. . На участке установки станции породы представлены аргиллитами. Прочностные показатели алевролитов представлены в таблице 3.1. Результаты наблюдений смещений массива горных пород показаны в таблице 3.4 и рисунке 3.7.
Выработка крепится металлической арочной крепью с железобетонной затяжкой. Расстояние между рамами равное 0,7 м. Сведения смещений реперов по времени показаны в таблице 3.4. Из них построены графики, которые представлены на рис. 3.7. Из графики на рисунке видно, что смещения реперов, расположенных на контуре выработки, за 150 суток составили в вертикальной скважине соответственно 332 мм, а также выработка обеспечивает устойчивость во время эксплуатации из-за того, что относительные смещения превышают податливость крепи из СВП-22 (220 мм).
Расчет параметров основной крепи горных выработок в условиях месторождения Хэтам-Куангнинь
По данным стендовых испытаний металлических арочных податливых крепей в институте ОАО КузНИИшахтострой показал, что при сечении в свету SCB=10 м несущая способность (Ns) и податливость (UKp) арок из СВП-22 составляет 250 кН и 240 мм; при SCB=13 м крепь из СВП-22—» Ns = 230 кН, UKp = 179 мм; при SCB=16 м2 крепь из СВП-27-» Ns= 270 кН, UKp = 220 мм.
В результате аналитических и экспериментальных исследований получены величины начальных и максимальных ожидаемых смещений системы «крепь-породный массив», которые приведены в таблице 4.6. Таким образом, взаимодействие крепи с окружающими породными массивами в зависимости от глубины заложения горных выработок, площади сечения выработок и коэффициента крепости породного массива f представлено на табл. 4.7; 4.8; 4.9. где приведены рекомендации по выбору крепей горных пород в различных горно-геологических условиях. Причем величины фактической податливости и несущей способности крепей принимались в расчетах по результатам исследований, выполненных в ОАО «Кузнишахтострой» разработанная методика показывает, что в рассматриваемых горно-геологических условиях могут быть следующие варианты крепей и технологии крепления выработок.
При SCB=10,4 м , f = 2-5, Н = 300 м ожидаемые смещения горных пород U(p) на крепь составляют от 59 до 289 мм, соответственно нагрузка на крепь Р = 61-301 кН/м. В данном случае в качестве базовой крепи при смещениях 59 -93 мм, Р = 61 и 97 кН/м выбираем конструкции крепи из СВП-22-АЗ(ее податливость 240 мм и несущая способность 250 кН/рама) с шагом установки 1 м, при смещениях от 162 до 289 мм, Р = 169-301 кН/м- крепь из СВП-22-A3 с шагом установки 0,9 и 0,75 м.
При SCB=10,4 м , f = 2-5, Н = 400 м ожидаемые смещения горных пород U(p) на крепь составляют от 111 до 408 мм, соответственно нагрузка на крепь Р = 116-425 кН/м. В данном случае в качестве базовой крепи при смещениях 111-156 мм, Р = 116и 163 кН/м выбираем конструкции крепи из СВП-22-A3 (UKp= 240 мм и Ns= 250 кН/рама) с шагом установки 1 м, при смещениях от 242 до 408 мм, Р = 252-425 кНУм- крепь из СВП-22-АЗ с шагом установки 0,8 и 0,5 м.
При SCB=10,4 м2, f = 2-5, Н = 500 м ожидаемые смещения горных пород U(p) на крепь составляют от 164 до 526 мм, соответственно нагрузка на крепь Р = 171-526 кН/м. В данном случае в качестве базовой крепи при смещениях 164-219 мм, Р = 171-228 кН/м выбираем конструкции крепи из СВП-22-АЗ(икр= 240 мм и Ns= 250 кН/рама) с шагом установки 1 и 0,9 м, при смещениях от 323 до 526 мм, Р = 336-548 кН/м - в этом случае должны применяться комбинированные крепи по методике усиления «КРС» МГГУ, т.е. выработка крепится базовой пятизвенной крепью из СВП-22-А5 с шагом установки 0,65м при смещении 323 мм, а при смещении 526 мм - пятизвенной крепью из СВП-22-А5 с шагом установки 0,8 м и металлической сеткой (фб, 10x10см), и крепью усиления - набрызгбетон толщиной 70 мм.
При SCB=10,4 м , f = 2-5, Н = 600 м ожидаемые смещения горных пород U(p) на крепь составляют от 216 до 644 мм, соответственно нагрузка на крепь Р = 225-671 кН/м. В данном случае в качестве базовой крепи при смещениях 216-282 мм, Р = 225-294 кН/м выбираем конструкции крепи из СВП-22-АЗ(икр= 240 мм и Ns= 250 кН/рама) с шагом установки 0,9 и 0,7 м, при смещениях от 403 до 644 мм, Р = 420-671 кН/м - в этом случае выработка крепится базовой пятизвенной крепью из СВП-22-А5 с шагом установки 0,5 м при смещении 403 мм , а при а при смещении 644 мм - пятизвенной крепью из СВП-22-А5 с шагом установки 0,8 м и металлической сеткой (фб, 10x10см), и крепью усиления -набрызгбетон толщиной 90 мм.
При SCB=12,8 м , f = 2-5, Н = 300 м ожидаемые смещения горных пород U(p) на крепь составляют от 67 до 328 мм, соответственно нагрузка на крепь Р =86-343 кН/м. В данном случае в качестве базовой крепи при смещениях 67-105 мм, Р = 86 и 135 кН/м выбираем конструкции крепи из СВП-22-АЗ(икр= 179 мм и Ns= 230 кН/рама) с шагом установки 1 м, при смещениях от 184 до 328 мм, Р = 226-343 кН/м- крепь из СВП-27-АЗ с шагом установки 0,9 и 0,6 м.
При SCB=12,8 м , f = 2-5, Н = 400 м ожидаемые смещения горных пород U(p) на крепь составляют от 126 до 462 мм, соответственно нагрузка на крепь Р = 162-483 кН/м. В данном случае в качестве базовой крепи при смещениях 126 146 177 мм, Р = 162 и 227 кН/м выбираем конструкции крепи из СВП-22(икр= 179 мм и Ns= 230 кН/рама) с шагом установки 1 и 0,8 м, при смещениях от 274 до 462 мм, Р = 286-483 кН/м- в этом случае выработка крепится базовой пятизвенной крепью из СВП-27-АЗ с шагом установки 0,7 м при смещении 274 мм , а при а при смещении 462 мм - пятизвенной крепью из СВП-27-А5 с шагом установки 0,8 м и металлической сеткой (фб, 10x10см), и крепью усиления -набрызгбетон толщиной 80 мм.
При SCB=12,8 м , f = 2-5, Н = 500 м ожидаемые смещения горных пород U(p) на крепь составляют от 186 до 596 мм, соответственно нагрузка на крепь Р = 228-623 кН/м. В данном случае в качестве базовой крепи при смещениях 186-248 мм, Р = 228-304 кН/м выбираем конструкции крепи из СВП-27-АЗ(икр = 220 мм и Ns= 270 кН/рама) с шагом установки 1,0 и 0,75 м, при смещениях от 366 до 596 мм, Р = 383-623 кН/м - в этом случае выработка крепится базовой трехзвенной крепью из СВП-27-АЗ с шагом установки 0,5 м при смещении 366 мм , а при а при смещении 596 мм - пятизвенной крепью из СВП-27-А5 с шагом установки 0,8 м и металлической сеткой (фб, 10x10см), и крепью усиления -набрызгбетон толщиной 90 мм.
При SCB=12,8 м , f = 2-5, Н = 600 м ожидаемые смещения горных пород U(p) на крепь составляют от 245 до 729 мм, соответственно нагрузка на крепь Р = 256-762 кН/м. В данном случае в качестве базовой крепи при смещениях 245-319 мм, Р = 256-334 кН/м выбираем конструкции крепи из СВП-27-АЗ(икр = 220 мм и Ns= 270 кН/рама) с шагом установки 0,75 и 0,6 м, при смещениях от 457 до 729 мм, Р = 478-762 кН/м - в этом случае выработка крепится базовой пятизвенной крепью из СВП-27-А5 с шагом установки 0,8 м и металлической сеткой (фб, 10x10см), и крепью усиления - набрызгбетон толщиной 70 и 100 мм.
При SCB=15,4 м , f = 2-5, Н = 300 м ожидаемые смещения горных пород U(p) на крепь составляют от 75 до 364 мм, соответственно нагрузка на крепь Р = 92-447 кН/м. В данном случае в качестве базовой крепи при смещениях 75-117 мм, Р = 92 и 144 кН/м выбираем конструкции крепи из СВП-27-АЗ(икр = 220 мм и Ns= 270 кН/рама) с шагом установки 1 м, при смещениях от 204 до 364 мм, Р = 250-447 кН/м- крепь из СВП-27-АЗ с шагом установки 0,9 и 0,5 м.
При SCB-15,4 м , f = 2-5, Н = 400 м ожидаемые смещения горных пород U(p) на крепь составляют от 140 до 513 мм, соответственно нагрузка на крепь Р = 172-630 кН/м. В данном случае в качестве базовой крепи при смещениях 140-196 мм, Р = 172 и 241 кН/м выбираем конструкции крепи из СВП-27-АЗ(икр = 220 мм и Ns= 270 кН/рама) с шагом установки 1 и 0,9 м, при смещениях от 305 до 513 мм, Р = 374-630 кН/м- крепь из СВП-27-АЗ с шагом установки 0,6 м и пятизвенная крепь из СВП-27-А5 с шагом установки 0,8 м и набрызгбетоном толщиной 90 мм.
При SCB-15,4 м , f = 2-5, Н = 500 м ожидаемые смещения горных пород U(p) на крепь составляют от 206 до 662 мм, соответственно нагрузка на крепь Р = 253-812 кН/м. В данном случае в качестве базовой крепи при смещениях 206-275 мм, Р = 253-338 кН/м выбираем конструкции крепи из СВП-27-АЗ(икр = 220 мм и Ns= 270 кН/рама) с шагом установки 0,9 и 0,7 м, а при смещениях от 406 до 662 мм, Р = 498-812 кН/м - в этом случае выработка крепится базовой пятизвенной крепью из СВП-27-А5 с шагом установки 0,8 м и металлической сеткой (фб, 10x10см), и крепью усиления -набрызгбетон толщиной 70 и 100 мм.
