Введение к работе
Актуальность-работы. Опыт добычи полезных ископаемых
показывает, что с ростом глубины разработки месторождений до 1000—1500 м, а также на меньших глубинах, при сложных условиях залегания полезных ископаемых горные выработки испытывают значительную интенсивность проявле* ний горного давления, а>их> крепь — опасные нагрузки и деформации.
Работы по креплению- горных выработок как при строительстве, так и при эксплуатации, горнодобывающих предприятий являются трудоемкими и. высокостоящими. В общей стоимости и трудоемкости сооружения торных выработок стоимость крепей и трудоемкость их возведения составляют 30-60%.
На шахтах угольных бассейнов СНГ, где основным видом крепи является рамная металлическая, в зависимости от сложности горно-геологических условий и глубины ведения работ годовой объем ремонта и перекреи.темия капитальных и подготовительных выработок составляет до 35% от общей их протяженности.
Подобное положение — с сохранностью подземных- выра^ боток и на некоторых горнодобывающих рудных предприятиях. Так, например, на шахтах Донского горно-обогатительного комбината Казахстана, разрабатывающих крупнейшие Южно-Кемпирсайские (Донские) месторождения хромовых руд на сравнительно небольшой глубине 500—600 м, горные выработки неоднократно перекрепляются из-за. сложных природных условий залегания хромовых руд, проявляющихся в значительном воздействии (до 1 МПа) нагрузки на крепь выработок и большом смещении породного массива внутрь выработанного пространства. Дополнительные работы но ремонту и перекреплению поддерживаемых выработок, кроме непосредственных затрат, приводят зачастую: к остановке добычных участков, что связано со снижением 'производительности шахт по добыче полезного ископаемого.
В других случаях при обеспечении надежной работы* крепи используются излишне материалоемкие конструкции; Это
прежде всего относится к сплошным крепям горных выработок: монолитным бетонным, железобетонным, тюбинговым, а также набрызг-бетонным несущим крепям, применение которых самостоятельно и в сочетании с другими типами крепи является перспективным направлением крепления капитальных и подготовительных выработок.
В настоящее время методами механики подземных сооружений, основанными на теоретических положениях механики сплошной среды, решены в общем случае задачи вязкоупру-гопластического взаимодействия .породного массива и крепи кругового очертания, а также задачи вязкоупругого взаимодействия породного массива и замкнутой, либо незамкнутой крепи 'некругово'го очертания. Дальнейшее развитие механики" "Подземных сооружений состоит, в частности, в решении таких проблем, как проблема модели взаимодействия пород-ного'массива- и крепи горной выработки, связанная с трудностью вычислительного плана для нелинейных задач; переход-'отюдномерного анализа работы крепи к многомерному; проблема разработки расчетных схем и методов расчета взаимодействующих массива и крепи при пространственной работе ; последней; проблема повышения несущей способности крепей горных выработок и снижения их материалоемкости, обеспечения сохранности выработок в эксплуатационном состоянии на период всего срока их службы; проблема точности, трудоемкости и простоты расчетов, возможности широкого ^использования методов расчета как специализированными научными организациями, так и горнодобывающими предприятиями.
'' В связи с этим научной проблемой настоящей диссертационной работы является обеспечение надежности работы и снижение материалоемкости рамных и сплошных крепей гор-п'ых выработок на основе установленных закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния породного массива и крепи при использовании теорий арочных Систем и тонких оболочек. Это позволило разработать новые. "методы расчета крепей горных выработок, :іх прогрессивные конструкции п способы управления несущей способностью крепи в зависимости от сложности горно-геологических условии в местах заложения выработок, что имеет важное значение для шахтного строительства и является актуальным. ' Цель работы состоит в обосновании и разработке методов расчета и совершенствования конструкций крепей горных выработок на основе теорий арочных систем и тонких оболочек, обеспечивающих повышение надежности и снижение материалоемкости крепления.
Основная идея работы заключается в использовании закономерностей распределения напряжений в крепи и породном массиве при придании выработке рационального (безмо-
ментного) очертания и закономерностей направленного перераспределения напряжений з конструкциях кренен посредством обеспечения нх работ в виде оболочечных п статически
неопределимых стержневых арочных систем. - *---
— Методы исследований"обеспечиваю г комплексное решение проблемы разработки методов расчета и совершено'] воваппя конструкций крепей горных выработок для разнообразных горно-геологических условий разработки месторождений полезных ископаемых. Они включают аналитические, исследования напряженно-деформированного состояния породного массива ц крепи горной выработки на основе с гроні единой механики стержневых систем и. моментных теории топких оболочек, математическое моделирование на ЭВМ, модели ровапие метолом фотоупругости породною массива с выработкой, шахтные экспериментальные исследования по определению деформированного состояния рамных крепей горных выработок с целью определения фактической нагрузки на крепь горных выработок.
Основные научные положения, выносимые на защиту,, со1-стоят в следующем.
-
Минимальные напряжения в элементах крепи и. максимальная устойчивость выработки обеспечиваются. ПОСрСДСТ: вом придания крепи рационального (безмомептпого) очеріа-ния в виде кривых второго порядка, определяемых ветчиной коэффициента бокового распора пород, рапного его значению в ненарушенном породном массиве, и проем ними размерами выработки.
-
При расчете крепи горной выработки кругового и пе-кругового очертания в условиях ее взаимодействия с пород,-. пым массивом в обшем случае его нелинейного деформнро-вання при перавнокомпопептпом поде начальных напряжет ний с учетом пространственной работы конструкции породный массив и крепь возможно представить в виде системы взаимодействующих рациональных элементов н определит!;, действующие между ними контактные напряжения, после чего, используя полученные в диссертации зависимости, найти напряжения и деформации в породном массиве и нагрузку на крепь, а конструкции сплошных крепей: представлять и рассчитывать в виде топких цилиндрических круговых, под.ь-емисты.х и системы пологих оболочек.
-
Направленное перераспределение напряжений в - элементах конструкций крепей горных выработок посредством, уменьшения значений нагибающих моментов в их ішцер.еч.-. ных сечениях в наибольшей степени достигается за счет-при-, ближения очертания крепи к рациональному при.А?Н1 = 0.-Кроме того, перераспределение напряжений .обеспечивается путем пространственной работы конструкций лтри вы-полне-? нии сплошных крепей в виде системы подребренных_кррот-;
3;
ких круговых, подъемистых цилиндрических и пологих обо-лоиек. Выравнивание и уменьшение изгибающих моментов происходят 'посредством достижения равнопрочности конструкции 'при изменении ее жесткости по периметру поперечного сечения, «введения усиливающих элементов с включением их в совместную работу, выполнения элементов рамных крепей замкнутого поперечного сечения, приближения несущей способности узлов податливости к несущей способности рам либо замены их на шарнирные соединения.
4. Выполнение рамньрх и сплошных крепей горных выработок іна основе установленных закономерностей перераспределения напряжений при изменении их конструктивных параметров обеспечивает снижение материалоемкости сплошных іКрепей на 30—50% 'при сохранении необходимой несущей .способности и увеличение несущей способности рамных крепей в 2—40 разори сохранении или даже уменьшении их материалоемкости.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
достаточной сходимостью результатов расчета по разработанной теории с результатами расчетов других авторов на основе механики сплошной среды в частных случаях упруго-пластического взаимодействия крепи с породным массивом при выработках кругового и эллиптического очертания (расхождение не превысило 15%);
достаточной сходимостью результатов аналитических исследований с результатами экспериментальные исследований по определению 'перемещений измерительных точек и нахождению по ним фактической нагрузки на рамную крепь в условиях шахты «Молодежная» Донского ГОКа (расхождение составило 5,4%);
положительными результатами внедрения расчетных методов и конструкций крепей горных выработок, разработанных на основе положений диссертационной работы.
Научная новизна. Разработаны новые методы расчета и совершенствования конструкций крепей горных выработок на основе теорий арочных систем и тонких оболочек.
Новые научные результаты включают:
-
теоретическое развитие положения о рациональном очертании контура выработки и ее крепи в зависимости от величины коэффициента бокового распора породного массива, расширяющее область рациональных форм поперечного сечелия выработки и определяющее условия рациональности крепи;
-
теорию напряженно-деформированного состояния породного массива, рассматриваемого в виде неоднородной изотропной среды, и крепи горной выработки как системы взаимодействующих рациональных элементов, работающих
на сжатие; метод определения нагрузки на крепь горной выработки для упругой и упругопластических моделей взаимодействия крепи, с породным массивом;
3) _метоД-определения фактической-нагрузки- на- рамную
крепь горных выработок по ее деформированному состоянию в реальных условиях с учетом упругопластической работы крепи при последовательном введении пластических шарниров в те ее поперечные сечения, в которых напряжения наибольшие и превосходят предел прочности, материала крепи па изгиб, вплоть до потери, ею несущей способности;
-
впервые разработанные пространственные методы расчета сплошных крепей горных выработок как тонких круговых цилиндрических, подъемистых и пологих оболочек и, в частном случае, тонких плит, в наибольшей мере отвечающие реальному объемному напряженно-деформированному состоянию крепи и позволяющие проектировать рациональные конструкции крепей за счет направленного перераспределения напряжений вдоль и по периметру поперечного сечения закрепленных выработок;
-
предложенные расчетные способы снижения материалоемкости сплошной крепи горной выработки путем периодического уменьшения ее толщины вдоль и, по периметру поперечного сечения выработки, выполнения крени из куполообразных тюбингов как системы пологих оболочек, уменьшения в конструкциях крепей изгибающих моментов посредст-гом приближения к рациональному очертанию, введения усиливающих элементов, способы повышения несущей способности рамных крепей за счет объединения профилей с образованием замкнутого поперечного сечения, усиления и обеспе-ченпя правильной работы замков податливости.
Научное значение диссертационной работы состоит в обосновании и разработке способов управления несущей -способностью крепей горных выработок на основе выявленных закономерностей формирования нагрузки и напряженно-деформированного состояния конструкций крепей при использовании теорий арочных систем и тонких оболочек.
Практическая значимость работы заключается в повышении эффективности проектируемых крепей горных выработок для широкого диапазона горно-геологических условий на основе разработанных методов расчета и совершенствования конструкций рамных и сплошных крепей горных выработок.
Разработаны и запатентованы двадцать конструкций крепей и способов их возведения, обеспечивающих-значительное снижение материалоемкости, или увеличение несущей способности.
Монолитная бетонная или набрызг-бетонная крепь с периодически уменьшающейся вдоль выработки толщиной либо выполненная в виде системы куполообразных (кессонных)
элементов позволяет на 30—50% ' уменьшить материалоемкость при сохранении необходимой несущей способности.
Выполнение чугунных тюбингов куполообразными с выпуклостью навстречу действующей нагрузке позволяет снизить материалоемкость крепи на 30—50% при сохранении необходимой несущей способности.
Приближение конструкции крепи к рациональному (без-моментному) очертанию позволяет повысить ее несущую способность в 2—10 раз.
Введение в конструкцию рамной крепи усиливающих элементов, объединение профилей с образованием замкнутого 'поперечного сечения, усиление и обеспечение правильной работы замков податливости увеличивают несущую способность в 3—10 раз при сохранении или даже уменьшении материалоемкости крепи.
Реализация работы. Внедрение результатов диссертационной работы проводится при проектировании и возведении крепей горных выработок. Разработки по креплению горных выработок используются проектными институтами: Но-рнльскпроект, Южгипрошахт, Южгипроруда; производственными организациями: Норильское строительное шахтопро-ходческое управление, Донской горно-обогатительный комбинат, шахтопроходческий трест «Луганскшахтопроходка», и вошли в следующие документы:
Г. Методика прочностного расчета крепи вертикальных шахтных стволов. — М.: МГИ, 1981.
-
Методика пространственного расчета кольцевой крепи горной выработки с учетом пассивного отпора пород.—М.: МГИ, 1984.
-
Методика расчета несущих каркасов металлобетонной арочной замкнутой крепи (МАЗ) и элементов их усиления.— М.: МГИ, 1989."
-
Методика определения нагрузки л а кольцевую рамную крепь горных выработок но ее деформированному состоянию. — М.: МГИ, 1991.
-
Инструкция по креплению горизонтальных выработок шахт Донского ГОКа.— Алма-Ата, 1992.
Экономический суммарный фактический и ожидаемый эффект от использования результатов диссертационной работы по внедрению конструкций крепей на угольных и рудных шахтах подтвержден расчетом в соответствии с Временными методическими рекомендациями, по комплексной оценке мероприятий научно-технического прогресса в угольной промышленности (М.: ЦНИЭИуголь, 1990) и составляет 8154,0 тыс. руб. в ценах 1991 г.
Отдельные положения исследований автора используются в учебном процессе при чтении лекций, составлении методических указании по курсовому и дипломному проектиро-
ванию для студентов Московского государственного открыто
го университета (ВЗПИ) специальности 09.04 «Шахтное и
подземное строительство».
Апробация работы. Основные результаты- диссертапион
пей работы были доложены и одобрены на Всесоюзных научно-технических конференциях но механике горных пород {Днепропетровск, 1981; Тбилиси, 1985: Фрунзе, 1989), на Всесоюзном семинаре по исследованию горного давления и охране капитальных и подготовительных выработок (Кемерово, 1984), на Всесоюзном семинаре по горному давлению (.Москва, МГИ, 1984), па Всесоюзном научно-техническом совещании «Технология и механизация крепления подготовительных и нарезных выработок» (Кривой Рог, 1991), на VI Международном конгрессе по механике скальных пород (Монреаль, 1987), на совещаниях в НСШУ, Донском ГОКе, ВНИИОМШСе, Южпгпрошахте, Южгипроруде, ЛГИ, МГГУ (МГИ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 научных работ, в том числе получено 20 авторских свидетельств и патентов на изобретения.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы. 5 разделов, заключения; содержит 207 с границ машинописного текста, 85 рисунков, 13 таблиц, перечень- использованной литературы из 225 наименований и 17 приложении.
Автор выражает благодарность докт. техн. наук, проф В. А. Каргозия за ценную научную консультацию, коллегам по кафедре «Строительство подземных сооружении и шахт» Московского государственного горного университета (бывшего МГИ) и по кафедре «Разработка месторождений полезных ископаемых» .Московского государственного открытого университета (бывшего ВЗПИ) за полезные советы при выполнении диссертационной работы, а также работникам проектных и научно-исследовательских организаций и горных предприятий за помощь в проведении отдельных исследований по теме диссертации.
