Структурное уравнение взаимодействия системы крепь массив

Механизм взаимодействия крепи и породного массива

В настоящее время основным средством обеспечения устойчивости подземных горных выработок и поддержания их в пригодном для эксплуатации состоянии является возведение крепи. Крепь находится в сложном взаимодействии с окружающими породами и должна рассматриваться как составная часть единой системы «крепь—массив», состояние которой определяется геомеханическими процессами, вызванными проведением выработки. Параметры взаимодействия этой системы — эпюра смещений и давлений па контакте крепи и массива — являются геомеханическими параметрами крепи (обычно их называют податливостью и несущей способностью крепи).

Рассмотрим механизм взаимодействия крепи с массивом, исходя из последних достижений экспериментальной и теоретической геомеханики.

Характер протекания механических процессов в массиве определяется возникающими в нем напряжениями и физико-механическими свойствами пород.

До проведения выработки в массиве существует естественное (начальное) поле напряжений, которое определяется в основном действием гравитационных сил. В этом случае вертикальная компонента поля напряжений равна yН, а горизонтальная — Л,уН. где у — средневзвешенный удельный вес пород; Н — глубина, на которой находится рассматриваемая точка массива; Лу — коэффициент бокового распора. В настоящее время большинство исследователей полагают, что на достигнутых глубинах разработки коэффициент бокового распора о силу реологических процессов, протекающих в земной коре, близок к единице, и считают естественное поле напряжений гидростатическим.

В отдельных районах с продолжающимися тектоническими процессами или в связи с влиянием структурно-механических особенностей массива гравитационное поле может искажаться и главные напряжения могут отклоняться от вертикали и горизонтали и по величине отличаться от уН в ту или иную сторону.

При проведении выработки в окружающем ее массиве происходит перераспределение напряжений в соответствии с законами механики сплошной среды. При этом о зависимости от соотношения величин возникающих напряжений и механических свойств пород возможно протекание двух типов деформационных процессов:

— массив деформируется в пределах упругости или в нем возникают деформации ползучести, не приводящие к разрушению пород (напряжения не превышают длительной прочности пород);

— массив деформируется с разрушением пород, и вокруг выработки образуется зона неупругих деформаций (действующие напряжения превышают длительную прочность пород).

Наличие вышеуказанных двух типов деформационных процессов подтверждается как теоретическими, так и экспериментальными исследованиями.

Анализ теоретических решений показывает, что упругие деформации вызывают незначительные смешения контура породного обнажения и выработка п этом случае может эксплуатироваться без несущей крепи. В случае образования зоны неупругих деформаций равновесие системы «крепь — массив» наступает при определенных смещениях контура выработки и отпоре крепи, причем, чем больше податливость крепи, тем меньший отпор от нее требуется. Временной характер деформационных процессов объясняется проявлением реологических свойств пород: ползучестью, снижением прочности с течением времени и др.

Сопоставление результатов теоретических решении с фактическими данными, полученными с помощью шахтных инструментальных наблюдений, показывает, что строгие аналитические решения дают правильную качественную картину механизма взаимодействия крепи с вмещающим массивом, в то же время расчетные и фактические количественные показатели этого процесса (смещения контура, отпор крепи) разнятся a 10—100 раз. Последнее объясняется тем, что расчетная схема, закладываемая в аналитическое решение, идеализирует механизм процесса и не учитывает всех факторов, влияющих на напряженно-деформированное состояние массива.

Удачным критерием, характеризующим горно-геологические условии и определяющим качественные и количественные показатели протекающих в массиве горных пород геомеханических процессов, является безразмерный параметр yH/R, представляющий отношение напряжений в нетронутом массиве к прочности пород. Этот параметр в той или иной модификации используется для оценки различных геомеханических ситуаций большинством исследователей.

С целью определения границы, разделяющей области горно-геологических условий, где возможен первый или второй тип деформационных процессов, была произведена статистическая обработка инструментальных наблюдений за смещениями контура выработок u на 56 замерных станциях, расположенных в диапазоне глубин от 100 до 1012 м в породах с пределом прочности при одноосном сжатии 1*1—150 МПа (рис. 1.1).

Из рис. 1.1 видно, что поле корреляции делится на дне области, о пределах которых существует различная корреляционная зависимость.

В области с границами изменения параметра уН/R от 0 до 0,3 смещения невелики и между исследуемыми величинами обнаружена весьма слабая корреляционная связь. При значениях параметра ун/R>0,3 корреляционная связь становится достаточно тесной. Это свидетельствует о качественно разном характере деформационных процессов в этих областях и, следовательно. о различной устойчивости горной выработки.

Зависимость характера деформационных процессов от величины параметра yH/R подтверждают и результаты анализа инструментальных наблюдений за смещениями пород с помощью глубинных реперных станций. На рис. 1.2 показаны характерные графики конечных смещений глубинных реперов для двух вышеуказанных областей горно-геологических условий.

Взаимодействие крепи с породным массивом

Давление породы на крепь находится в обратной зависимости от величины податливости крепи.

На рис.45. показано взаимодействие породы с жесткой крепью и крепью постоянного сопротивления. Смещение контура (например, кровли) выработки зависит от времени установки и характеристики горной крепи. Быстро нарастающая реакция жесткой крепи обеспечивает малое смещение контура выработки ε_ж, но крепь при этом несёт большую нагрузку Р_ж.

Применение крепей постоянного сопротивления позволяет управлять горным давлением путем назначения начального распора крепи (P₁ и Р₂ на рис.45 ). Начальный распор крепи должен обеспечить смещение контура выработки без опасного разрушения окружающих выработку пород.

Рис.45. Взаимодействие крепи с породным массивом

Р_ж – нагрузка на жесткую крепь; Р₁ и Р₂ – давление на крепь постоянного сопротивления; ε_ж, ε₁ и ε₂ – смещения контура выработки

Расчетная схема крепи. Виды нагрузок и воздействий.

Начальные и полные напряжения в массиве.

Напряженное состояние массива определяется глубиной, средней плотностью пород, строением, характером напластования и свойствами слогающих пород, а так же неотектоническими движениями в земной коре. Основной причиной напряженного состояния пород в массиве являются объемные силы тяжести. Если рассматривать массив, в котором ещё нет горных выработок, как однородный и изотропный с горизонтальной поверхностью и учитывать лишь гравитационные силы, то в нём будут действовать начальные нормальные напряжения

Расчетная схема крепи. Виды нагрузок и воздействий.

Механика подземных сооружений исследует систему – «крепь-массив» рассматривая её как единую деформированную систему, воспринимающую внешние нагрузки и воздействия . Элементы указанной : крепь и окружающей массив пород — находятся в процессе нагружения в контактном взаимодействии друг с другом .

Основной расчетной схемой крепи, которая исследуется меха­никой подземных сооружений, является схема контактного взаимо­действия крепи с деформируемым массивом пород

Различают три вида схем контактного взаимодействия крепи с массивом:

Континуальная схема не имеет ограничений по форме сечения выработок и применима при всех возможных видах статических, и Динамических воздействий на массив с выработкой (горное дав­ление, гидростатическое давление, сейсмические воздействия от землетрясений и массовых взрывов).

С помощью дискретно-континуальной расчетной схемы полу­чены обнадеживающие результаты применительно к шарнирной репи выработок круглого сечения.

Применение дискретных расчетных схем позволяет в принципе УЩественно расширить область применения схем контактного взаимодействия на большее число видов крепи (незамкнутые, сборные), с одной стороны, и на физически нелинейный и неодно­родный массив, с другой стороны. Следует, однако, заметить, что расчет крепи с использованием дискретных схем отличается боль­шой трудоемкостью и сложностью подготовки исходных данных для ЭВМ (причем для каждого варианта расчета), требует высо­кого класса ЭВМ и вследствие приближенности анализа точности получаемых результатов

Под нагрузкой на крепь принимается давление, испытываемое крепью со стороны горных пород. Нагрузки на крепь определяются на базе гипотез горного давления, сформированных с учетом многочисленных экспериментальных данных или аналитических методов расчета проявления горного давления.

Как правило, горное давление создает статические нагрузки.

Динамические нагрузки вызывают также некоторые технологические процессы, например взрывание зарядов в шпурах или скважинах, посадка кровли и даже работа комбайна.

(Савин)

5. Набрызг-бетонная крепь: назначение, область применения и механизация при нанесении набрызг-бетона.

Набрызгбетонная крепь находит все большее распространение для крепления горизонтальных горноразведочных выработок. Эту крепь рекомендуется применять для поддержания трещиноватых и легковыветривающихся пород c f=7 и выше c целью предотвращения вывалов. Толщина крепи принимается одинаковой по всему периметру (почва не бетонируется) в зависимости от крепости пород в пределах 3—7 см. Применяют набрызгбетон марки не ниже М400.
Возведение набрызгбетонной крепи производится бетономашинами БМ-60, БМ-68 и др. или с помощью бетоноукладочного комплекса БУК-2 или БУК-3. Бетоноукладочные комплексы предназначены для механизированной укладки бетонной смеси за опалубку и широко применяются для нанесения набрызгбетонной крепи — для безопалубочного бетонирования. При использовании комплекса БУК-2 для набрызгбетонного покрытия сухая бетонная смесь доставляется в рудничных вагонетках 1 и грузится грейферным грузчиком 2 в бетономашину 3, из которой по гибкому шлангу — бетоноводу поступает в сопло 4, где затворяется водой из водяной магистрали 5 (рис. 19.9).

Давление воды, подводимой в смесительную камеру сопла, несколько выше давления воздуха (на 0,1 МПа), который транспортирует сухую смесь из бетономашины. Комплекс БУК-2 имеет пульт управления 6, что значительно упрощает работу.
Толщину набрызгбетонного покрытия определяют по формуле

где qн — интенсивность нормативного давления со стороны, которая определяется по формулам (17.13) или (17.14), Н; nп=1,2 — коэффициент перегрузки; mб — коэффициент условий работы для бетонной крепи, равный 0,85 для неармированного набрызгбетона и 1 для армированного (нанесенного на металлическую сетку); σр — расчетный предел прочности набрызгбетона при растяжении, равный для проектных марок бетона М300, М400, М500 соответственно 1,2; 1,4; 1,6 МПа при наличии армирования и 1; 1,2; 1,35 МПа при отсутствии его.
При наличии у пород кровли запаса прочности (при nк>1) в формуле (19.11) следует ввести под знак радикала в знаменатель его значение.

Дата добавления: 2015-04-18 ; просмотров: 10 ; Нарушение авторских прав