Крепление и охрана горных выработок

Горные породы внутри земной коры находятся в состоянии напряженного равновесия. Массив горных пород при отсутствии выработок всегда находится в равновесном напряженном состоянии, при условии что отсутствуют силы как тектонические так и силы от температурных градиентов. При проведении горных выработок в толще горных пород, вокруг них происходит перераспределение напряжений, в процессе которого породы стремятся перейти в новое состояние равновесия.

Напряжения или силы, возникающие внутри массива горных пород вследствие проведения выработки и вызывающие деформации окружающих выработку горных пород, называются горным давлением.

Под действием горного давления породы в кровле пройденной горной выработки сначала будут прогибаться, в предельный момент появятся трещины, далее с увеличением этих трещин происходит вывал пород кровли (обрушение). После обрушения пород кровли форма необрушенной ее части часто принимает сводчатую форму.

Горное давление воспринимаемое выработкой достигает максимального значения не сразу после ее проведения. Вначале горное давление возрастает и называется – первичным. После, нарастание горного давления прекращается и остается по величине постоянным и называется – вторичным (установившимся).

Напряженное состояние горных пород вызывается гравитационными силами, т.е. силами тяжести горных пород. При отсутствии тектонических сил и температурных градиентов напряжения от собственного веса горных пород пропорциональны глубине разработки.

В 1908-1912гг. профессор М.М. Протодьяконов на основе ряда опытных данных и теоретических расчетов пришел к выводу, что определять величину горного давления на горизонтальную выработку лучше исходя из теории свода естественного равновесия. Таким образом одним из способов борьбы с горным давлением является оптимальная (устойчивая) форма горной выработки.

Со времен начала развития горнорудной промышленности на земле большую часть выработок приходилось крепить. Для сохранения выработок заданной формы и размеров на определенный срок необходимо возведение крепи, которая, воспринимая горное давление, замедляет процесс прогиба и препятствует обрушению кровли. Вторым и основным из способов борьбы с горным давлением является крепление горных выработок.

При проектировании выбор конструкции крепи и расчет параметров ее установки в горной выработке производится дифференцированно по участкам пород с одинаковыми свойствами, исходя из оценки устойчивости пород, величин их смещений и ожидаемых нагрузок на крепь с учетом срока их службы.

В качестве основных расчетных данных для определения устойчивости пород, величины их смещений, нагрузок на крепь выработки используются:

- расчетная глубина размещения выработки – H_p;

- расчетные значения сопротивления пород (массива) сжатию – R_c;

- нормативные и расчетные характеристики материалов крепи и заполнения закрепного пространства.

Расчетная глубина H_p, м определяется по формуле

H_p=H·k, (2.21)

где H – проектная глубина размещения выработки или ее участка, м;

k – коэффициент, учитывающий отличие напряженного состояния массива пород по сравнению с напряженным состоянием от воздействия собственного веса толщи пород до поверхности. Для обычных горно-геологических условий k =1, в зонах тектонических нарушений при отсутствии экспериментальных данных k =1,5.

Расчетное значение сопротивления пород сжатию R_c, МПа определяется по формуле

R_c=R·k_c, (2.22)

где R – среднее значение сопротивлению пород в образце одноосному сжатию, которое определяется по результатам испытаний образцов горных пород, МПа (кгс/см²);

k_c – коэффициент, учитывающий дополнительную нарушенность массива пород поверхностями без сцепления, либо с малой связностью (трещиноватость пород, наличие глинистых прослойков и т.д.).

Расчеты будем производить по усредненным значениям физико-механических и деформационных свойств горных пород Гарлыкского месторождения.

Привязка к пласту выработок околоствольного двора осуществлена с учетом их пространственного расположения и в увязке с выработками главных направлений с целью оптимальной подготовки шахтного поля.

Расчетная глубина (H_p) составляет: H_p=H =310,0÷310,5 м. В качестве примера расчет выполнен для выработок, имеющих наибольшее поперечное сечение (шириной b=5,0 м, высотой h=6,0 м), т.е. для наихудших условий их поддержания.

Расчетное сопротивление пород сжатию по контуру поперечного сечения выработки определяется с учетом всех пересекаемых слоев мощностью более 0,1м, залегающих на расстояниях от контура сечения выработки: в кровле – 1,5 b, в почве и боках – 1 b, где b – ширина выработки. Для ряда смежных слоев, залегающих по контуру поперечного сечения выработки с изменчивостью R_c в пределах до 30%, принимают для всей выработки усредненное значение расчетного сопротивления пород сжатию, которое определяется по формуле

, (2.23)

где ,… – расчетное сопротивление слоев пород сжатию;

m₁,…m_n – мощность слоя.

При изменчивости R_c в кровле, боках или почве выработки свыше 30 % R_c следует считать отдельно по элементам выработки (кровля, бока, почва).

В соответствии со схемой привязки выработок в кровле на высоту 1,5b залегают преимущественно сильвиниты, соль каменная с включениями сильвина. Боковые стенки выработок располагаются полностью в каменной соли с включением сильвина, а почва в соли каменной и сильвините.

Исходя из этого, расчетные значения сопротивления пород сжатию (Rc) для пород кровли, почвы и боковых стенок выработок в районе околоствольного двора, согласно геологическому описанию, Rc составит:

- для кровли

;

- для боков ;

- для почвы .

Выбор типа и расчет параметров крепи для выработок околоствольного двора производится в зависимости от категории устойчивости пород. В качестве критерия определения категории устойчивости пород принимается величина их смещений (U) на контуре поперечного сечения выработки за весь срок ее службы без крепи в соответствии с таблицей 2.8.

Таблица 2.8 – Таблица для определения категории устойчивости пород

Категория устойчивости пород	Оценка состояния устойчивости пород	Смещения U, мм
осадочные породы (песчаники, алевролиты, аргиллиты, из-вестняки, уголь, и др.	изверженные породы (граниты, диориты, порфириты и др.)	соляные породы (каменная соль, сильвинит, карналлит и др.)
I	Устойчивое	до 50	до 20	до 200
II	Среднеустойчивое	св.50 до 200	св.20 до 100	св.200 до 300
III	Неустойчивое	св.200 до 500	св.100 до 200	св.300 до 500
IV	Очень неустойчивое	св. 500	св. 200	св. 500

Величину смещения пород по контуру поперечного сечения участков уклонов, расположенных в соляных породах, определяем по формуле

U =500·ε _ө · b · (1+0,07· t) · K_B, (2.24) где ε _ө - относительные деформации пород за первый год службы выработки;

b – ширина выработки в проходке (вчерне), м;

t – срок службы выработки, лет;

K_b – коэффициент воздействия других выработок, принимаемый: для одиночных выработок и камер – равным 1; для сопряжений с односторонним примыканием выработки – 1,4; для сложных сопряжений с примыканием выработок в виде двухстороннего заезда или пересекающихся выработок – 1,6; для параллельных выработок – по формуле

, (2.25)

где L – расстояние между выработками, м;

b ₁+ b ₂ – суммарная ширина взаимовлияющих выработок в проходке (вчерне), м;

k_L – коэффициент глубины заложения выработок.

При сроке службы выработок, равном 50 лет, смещения пород составят: U =500×0,012×5,0× (1+0,07×50)×1=136,7 мм.

Величину смещения U для оценки состояния устойчивости пород определяем для одиночных выработок с выбранным сечением и шириной (b), для разновидностей их сопряжений, а также при параллельном размещении выработок с учетом их взаимного влияния друг на друга. Для удобства выполнения и наглядности полученных результатов все расчеты сводим в таблицу 2.9.

Таблица 2.9 – Расчетные значения величины смещения пород на контуре поперечного сечения основных выработок за весь срок их службы без крепи

Элементы контура выработок	Значения расчетных параметров	U, мм	Категория устойчивости
ө	kB	t, лет
Одиночная выработка сечением S=11,1 м^2 (b=3,0 м, h=3,7 м)
Кровля	0,008			55,58	I устойчивое
Боковые стенки	0,011			72,29	I устойчивое
Почва	0,017			111,44	I устойчивое
Одиночная выработка сечением S=12,95 м^2 (b=3,5 м, h=3,7 м)
Кровля	0,009			67,20	I устойчивое
Боковые стенки	0,011			88,29	I устойчивое
Параллельные выработки сечением S=11,1 м^2 с разной шириной целика между ними
L=10 м,
Кровля	0,009	2,16		124,64	I устойчивое
Боковые стенки	0,006	2,16		81,45	I устойчивое
Почва	0,010	2,16		142,47	I устойчивое
Сложные сопряжения в виде двухстороннего заезда или пересечения выработок шириной 3,0 м
Кровля	0,011	1,6		116,37	I устойчивое
Боковые стенки	0,014	1,6		146,89	I устойчивое
Почва	0,019	1,6		209,07	II ср.устойчивое
Параллельные выработки сечением S=11,03 м^2 (b=4,0 м, h=3,0м) иS=8,03 м^2 (b=3,0 м, h=3,0м) с шириной целика между ними
L=15 м,
Кровля	0,009	1,68		138,35	I устойчивое
Боковые стенки	0,006	1,68		94,76	I устойчивое
Почва	0,010	1,68		157,44	I устойчивое

Как видно из таблицы 2.9 все основные виды капитальных горных выработок являются устойчивыми при минимальных целиках. Однако, исходя из опыта ведения горных работ на Старобинском месторождении, для обеспечения безопасности и длительной сохранности выработок проектом предусматривается крепление выработок анкерной крепью с шагом 1,2 м в ряд.

Дата добавления: 2015-07-14