Министерство угольной промышленности УССР Центральное бюро научно-технической информации

Министерство высшего и среднего специального образования Макеевский инженерностроительный институт

---

РУКОВОДСТВО

ПО ВЫБОРУ КРЕПИ ДЛЯ ВЫРАБОТОК, ПРОВОДИМЫХ КОМБАЙНАМИ

Донецк

УТВЕРЖДАЮ:

заместитель министра угольной промышленное ну ССР

П.И.МАРОСИН

6 июля 1878 г.

РУКОВОДСТВО

ПО ВЫБОРУ КРЕПИ ДЛЯ ВЫРАБОТОК, ПРОВОДИМЫХ КОМБАЙНАМИ

Донецк

где U — смешения контура выработки, определенные по формулам (1)-(4) или рис. 7-10;

Kt - коэффициент технологической податливости, определяемый по графику рис. 11.

5. ВЫБОР КОНСТРУКЦИЙ КРЕПИ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИХ РАСЧЕТУ

5.1.    Выбор технически приемлемых конструкций крепи производится в соответствии с табл. 1, исходя из ожидаемых размеров вывалов (для II области горно-геологических условий) или прогнозируемых нагрузок на крепь и ее податливости (для Ш * области горно-геологических условий), пользуясь рекомендациями, приведенными в п.п.5.2-5.11.

5.2.    В диапазоне горно-геологических условий, характеризуемых параметром УH/R < 0,5, выработки, проведенные комбайном, более устойчивы, по сравнению с выработками, проведенными с помощью буровзрывных работ; в диапазоне условий,где параметр ГН/*>0,5, смещения пород в комбайновых выработках превышают соответствующие смещения в выработках, пройденных буровзрывным способом.

5.3.    Комбайновый способ выемки горной массы обеспечивает бо-

9

5.4.    Область применения набрызгбетонных крепей при комбайновой проходке расширяется до ^ «0,36 (против ^ *0,3 при буровзрывном способе).

5.5.    Поскольку бетонные и металлобетонные одели допускают смещения контура до 50 мм, то в условиях, где комбайновый способ уменьшает смещения пород ^0,5), область применения вышеуказанных крепей расширяется.

5.6.    В условиях, где ^>0,5, необходимо применять крепи повышенной податливости (по сравнению с крепями, применяемыми в выработках: пройденных буровзрывным способом)

и предусматривать соответствующий запас сечения выработки на большую осадку.

5.7.    Для выполнения изолирующих и ограждающих функций наиболее эффективной является крепь из набрызгбетона. Основным достоинством набрыагбетона является его универсаль-

10

несть, заключающаяся в возможности подбора толщины покрытия в зависимости от условий проходки.

Гибки «ыовешшк, ш Рис. 8. График зависимости безразмерных смещений боков выработки от глубины ое заложения при различных прочностях горных пород

Очевидна роль набрызгбетона и в повышении безопасного состояния выработки* В то время, как многие другие крепи с возрастанием нагрузки деформируются сразу и их восстановление сопряжено со значительными трудностями, крепь из набрызгбетона деформируется постепенно с образованием в ней ряда видимых трещин. При этом, за счет высокого сцепления с породой, обеспечивается удержание от падения нарушенных участков крепи и отслоившихся кусков породы* В этом случае несложно путем повторного набрыага бетонной смеси отремонтировать деформированную оболочку. Набрызгбетонная смесь, попадая в трещины, в процессе твердения восстанавливает монолитность ремонтируемы:: конструкций.

Применение-различных комбинаций набрызгбетона с другими крепями позволяет создавать конструкции с необходимой грузонесущей способностью. Обладая высокой механической прочностью, обусловленной повышенным содержанием цемента и высокой плотностью материала, набрызгбетон, по сравнению с обычным монолитным бетоном, дает возможность в 2-3

11

раза уменьшить толщину покрытия, обеспечивая сокращение стоимости крепи. Методика расчета набрызгбетонной крепи при применении ее в чистом виде и в комбинации с другими крепями изложена в работе [2].

Нагрузка, тс/м**

5.8. Анкерная крепь относится к крепям бесподпорного типа и по сравнению с обычными подпорными конструкциями имеет следующие преимущества:

имеет потенциальные возможности для полной механизации процесса крепления;

требует меньшего расхода крепежных материалов и меньших затрат на их доставку;

позволяет уменьшить сечение выработки и ее аэродинамическое сопротивление.

В условиях Донецкого бассейна анкерная крепь может применяться в породах устойчивых и средней устойчивости с коэффициентом крепости } *4 и выше. В породах с коэффициентом крепости менее 4 анкерную крепь допускается использовать после испытаний анкеров на закрепляем ость. Закрепление считается достаточным, если при нагрузке 4 тс анкер не вытя-

12

гивается. Не допускается применение анкерной крепи в сыпучих и сильно трещиноватых породах, в зонах геологических нарушений и карстовых размывов, при выделении воды из кровли.

Рис. 10. График зависимости величины боковой нагрузки на крепь от параметра ГН/ft при различных размерах высоты и ширцны выработки: а - высота выработки 3 м; то-высота выработки 4 м

Анкерную крепь можно использовать как самостоятельно, так я в сочетании с крепями других типов - набрызгбетоном, рамными крепями. Метод расчета анкерных крепей изложен в работе [3].

5.9.Монолитный бетон обладает многими преимуществами перед другими традиционными крепежными материалами. Он ма-

13

ло дефицитен, относительно дешев и прочен, сравнительно легко поддается механизации при возведении крепи, В отличие от наземных сооружений для крепления горных выработок используется односторонняя опалубка, транспортирование бетонных смесей осуществляется самотеком по трубам с поверхности и с помощью несложных пневмобатоноукллдчияов в выработках* Шахтная среда имеет оптимальные атмосферные условия для твердения бетона.

Для монолитных крепей характерно наличие значительных сил сцепления на контакте с породным контуром. Эти силы приводят к уменьшению изгибающих моментов в крепи. Отпор горного массива, благодаря большому значению коэффициента постели пород, контактирующих с бетоном, достигает предельно возможных значений. Поэтому монолитная крепь испытывает , в основном, сжимающие напряжения и способна нести значительные нагрузки.

Появление трешин в бетоне в зоне действия преобладающей нагрузки не означает исчерпание несущей способности крепи, а только служит признаком перераспределения напряжений и образования шарниров в конструкции. Однако в условиях значи-

тельных смешений контура глубоких выработок применение мо»? нолитящх крепей нецелесообразно» Область их применения ограничена смещениями контура до 30-50 мм. При больших смешениях монолитную крепь следует возводить через 1-2 мес после проведения выработки за зоной интенсивных смешений породного контура.

В условиях, когда снятие временной крепи влечет за собой опасные вывалы, а постоянная должна обладать высокой несущей способностью, удовлетворительно работает ограниченно податливая крепь из спецпрофиля в бетоне. В этом случае металлические арки из спецпрофиля, устанавливаемые в забое выработки, в течение 1—2 мес работают в податливом режиме, а затем, за зоной интенсивных смещений, заполняются бетоном. Расчет монолитной бетонной и железобетонной крепей рекомендуется выполнять по методике, изложенной в работе [4].

5.10. Сборные конструкции крепи (тюбинговая, блочная) могут возводиться непосредственно у забоя выработки без применения временной крепи и способны сразу же после установки воспринимать давление пород. Большинство конструкиий-взрывостойкие. В них несложно ввести податливые прокладки, обеспечивающие работу крепи в ограниченно податливом режиме. Сборные шарнирные крепи обладают хорошей деформатив-ностыо и целесообразно перераспределяют нагрузки, используя упругий отпор пород. Работоспособность крепи при этом повышается. Однако сборные крепи могут работать только при условии достаточного отпора со стороны вмещающих выработку пород. В условиях некачественной забутовки часто имеет место случай, когда ряд смежных узлов-шарниров выходят на одну прямую линию. Часть контура крепи при этом превращается в мгновенно изменяющуюся систему, и конструкция теряет устойчивость. Поэтому грузонесущую способность сборной крепи следует рассчитывать с учетом ее устойчивости.

Закрепное пространство, заполненное цементно-песчаным раствором, является, по существу, дополнительной бетонной оболочкой, для которой сама крепь служит опалубкой. В этом случае преимущества сборной крепи как деформативной конструкции, приспособляющейся к неравномерностям горного давления, почти исчезают, а стоимость значительно повышается.

Методика прочностного расчета сборной крепи изложена в работе [б], а расчет на устойчивость - в работе [б].

17

Настоящее 'Руководство* содержит основные положения по оценке горно-геологических условий, прогнозу смещений и нагрузок на крепь и выбору технически целесообразной и экономически выгодной конструкции крепи для выработок, проводимых комбайнами.

'Руководство* предназначено для проектировщиков и производственников, занимающихся проектированием и сооружением капитальных горных выработок шахт Донбасса*

С ) ЦБНТИ Минуглепрома Украинской ССР, 1879

5.11. Металлическая арочная податливая крепь ви специального профиля обеспечивает податливый режим работы, возможность повторного использования для крепления выработок и имеет сравнительно невысокую стоимость.

Область применения металлической крепи в основных выработках ограничена повышенным, по сравнению с бетонной крепью, аэродинамическим сопротивлением и относительно небольшим сроком службы вследствие коррозии металла.

В типовом проекте [7 } разработано 7 типоразмеров крепи А КП-3 (арочная крепь податливая, трехавенная) сечением в свету до осадки от 6,4 до 17,2 м^ с вертикальной податливостью от 100 до 300 мм.

При смешении контура больше 300 мм применяется пяти-авенная крепь А КП-5. В этой крепи используются элементы крепи АКП-3 и добавляются прямолинейные стойки длиной 600, 80С и 1000 мм, обеспечивающие дополнительную податливость крепи в стойках на величину 200, 400 и 600 мм. Расчет металлической крепи приведен в работе [в].

6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВАРИАНТОВ КРЕПИ И ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЮ

6.1.    Оптимальная крепь должна обеспечивать необходимый уровень работоспособности состояния выработки в течение всего срока службы с наименьшими затратами на ее сооружение

и поддержание.

6.2.    Экономическое сравнение технически приемлемых для конкретных условий вариантов крепи производится по статическому критерию 'приведенных затрат':

С=С_э⁺ЕцК,    (6)

где Е_н - отраслевой нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений.

6.3. Капитальные затраты на сооружение выработки К

определяются

K=L-K_np. _0>li+0j6Kv • где L — протяженность выработки, м;

работки, руб./м;

Кип — коэффициент накладных расходов и плановых накоплений, равный 1,344. Принят согласно нормам накладных рас-

ВВЕДЕНИЕ

Предусматриваемый планом развития народного хозяйства СССР дальнейший рост добычи угля связан с необходимостью строительства новых и реконструкции действующих горных предприятий. Перед шахтостроителями поставлена задача сокращения сроков строительства и₉ в первую очередь, работ горноподготовительного цикла.

Одним из главных технических направлений повышения производительности труда и темпов проведения выработок является применение проходческих комбайнов . Доля комбайновой проходки в общем объеме проводимых выработок с каждым годом увеличивается и в перспективе этот способ станет основным.

При комбайновой проходке процесс крепления наименее механизирован. Существующие методы прогнозирования параметров взаимодействия крепи с горным массивом, используемые на практике, и соответствующие нормативные документы предназначены для условий буровзрывного способа проходки и не учитывают специфику комбайновой выемки горной массы.

Настоящее 'Руководство по выбору крепи для выработок, проводимых комбайнами' составлено в соответствии с пятилетним планом по головной теме № 1504 Минуглепрома СССР 'Исследовать, разработать и внедрить новые прогрессивные решения в области крепления капитальных горных выработок, обеспечивающие комплексную механизацию горнопроходческих работ' на основании комплекса научно-исследовательских работ! выполненных Макеевским инженерно-строительным институтом в 197В-1979 гг. по этапу № 1504130000-010 ' Разработать и внедрить руководство по выбору крепи для выработок, проводимых комбайнами'.

В разработке 'Руководства' принимали участие доктор техн.наук, профессор Ю.З.Заславский, доктор техн.иаук профессор В.Ю.Изаксон, канд.техн.наук, доцент Е.Б.Дружко, канд. техн.наук, доцент Ф.И.Перепичка, инж.В.А.Пшеничный,инж.А.П.Па-стухов.    _t

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1.    Проектирование крепи горных выработок состоит из следующих основных этапов:

оценка горно—геологических условий сооружения выработки и выбор типов крепи;

расчет параметров взаимодействия крепи с горным массивом (прогнозирование податливости и несущей способности крепи);

расчет конструкций крепи;

технико-экономическая оценка возможных вариантов крепления и выбор оптимального.

1.2.    'Руководство' регламентирует выполнение первых двух этапов проектирования крепи с учетом специфики комбайнового способа проведения выработки и дает методику выбора ее экономичной конструкции. Поскольку методы конструктивного расчета крепи достаточно разработаны и не зависят от способа проведения выработки, то для выполнения третьего этапа проектирования в 'Руководстве' даны рекомендации по применению существующих методов расчета основных типов крепей.

1.3.    При выборе расположения и способов охраны выработок следует руководствоваться 'Указаниями по расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР', ВНИМИ, 1977.

1.4.    На современном этапе развития геомеханики широкое практическое применение получили инженерные методы расчета параметров взаимодействия крепи и породного массива, основанные на комбинации аналитических решений и результатов шахтных инструментальных исследований.

В основу настоящего 'Руководства' положен инженерный аналитик о—экспериментальный метод прогнозирования ожидаемых смещений и нагрузок на крепи комбайновых выработок, разработанный в МакИСИ.

1.5.    Рекомендуемые зависимости получены для условий угольных шахт Донбасса. Однако основа предлагаемой методики может быть использована в любом другом бассейне — вид зависимостей останется таким же, а численные коэффициенты должны быть скорректированы по результатам инструментальных наблюдений в новых горно-геологических условиях.

1.6.    Исходными данными для выбора крепи являются назначение выработки, срок службы, сечение в свету, направле—

2

ние относительно напластования и угол наклона к горизонтали, глубваа заложения, геологический разрез по сечению с указанием прочности всех слоев на высоту в кровле до 1,5 ширины выработки и в почве на глубину, равную ее ширине.

1.7.    Выработки, проведенные вкрест простирания, более устойчивы, чем выработки, проведенные по простиранию. Расчетный метод, положенный в основу настоящего 'Руководства', разработан для последнего случая. Получающееся при этом некоторое завышение величин прогнозируемых смещений и нагрузок на крепь для выработок квершлажного типа по сравнению со.штреками идет в запас.

1.8.    Горный массив характеризуется прочностью пород на одноосное сжатие, определяемой при испытании образцов по общепринятой методике. При отсутствии данных о прочности пород для ориентировочных расчетов, можно пользоваться коэффициентом крепости по шкале проф. М«М.Протодьякояова, считая, что предел прочности пород R*100f кгс/см2_#

При проведении выработки в слоистом массиве с диапазоном изменения прочности в пределах 20%, в расчетах принимается минимальное значение R. В случае, если прочностные характеристики слоев отличаются более, чем на 20%, то для расчетов определяется средневзвешенная прочность пород [ l] ; в кровле на высоту, равную 1,5 ширины выработки вчерне, в боках - на высоту выработки и в почве - на глубину, равную ширине выработки.

1.8.    При назначении окончательного сечения выработки вчерне, кроме толщины крепи и забутовки должны учитываться прогнозируемые смещения контура за период всего срока службы выработки.

2. ОБЛАСТЬ И УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ

2.1.    Настоящее 'Руководство' применяется для выбора крепи горизонтальных и наклонных (до 30°) горных выработок, проводимых комбайнами на шахтах Донецкого бассейна, распо -поженных вне зоны активного влияния очистных работ на глубинах до 1500 м и в породах с диапазоном изменения прочности от 200 до 1000 кгс/см2.

2.2.    Область действия 'Руководства' распространяется

на протяженные горные выработки с любым расположением относительно залегания пород, сооружаемые в следующих условиям:

3

во всех характерных для угленосных толщ Донбасса породах;

вне зон крупных тектонических нарушений я больших во— допритоков;

при способах охраны и расположении соседних выработок» исключающих их вредное влияние друг на друга.

2.3.    Во всех случаях область применения ^г Руководства' ограничивается условиями правильного ведения горнопроходческих работ и выполнения 'Правил безопасности в угольных и сланцевых шахтах*.

2.4.    Прн проектировании горных выработок в условиях» отличающихся от приведенных в п.п. 2Л-2*2, выбор конструкций крепей выработок» проводимых комбайнами» производится на основе дополнительных рекомендаций соответствующих специализированных организаций и технологических бассейновых НИИ Минуглепрома СССР.

3. ОЦЕНКА ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ И ВЫБОР ТИПА КРЕПИ

3.1.    Для оценки инженерно-геологических условий с точки зрения устойчивости выработки используется параметр , связывающий напряженное состояние массива TW и прочность вмещающих пород R • Здесь У - средняя плотность пород» Н -глубина заложения выработок.

3.2.    В зависимости от качественных и количественных показателей проявлений горного давления» определяющих степень устойчивости породного обнажения» режим работы крепи и методику прогнозирования ожидаемых на нее нагрузок и смещений» весь диапазон горно-геологических условий делится на три области (рис.1).

3.3.    В диапазоне условий» где параметр ^<0»2 (об

ласть 1)» породное обнажение не разрушается и весь срок службы находится в устойчивом состоянии. Крепь выполняет изолирующие функции» предохраняя массив от выветривания и предотвращая выпадение в выработку отслаивающихся кусков породы.    .

3.4.    В диапазоне условий 0,2 ^ р ^ 0,35 (область II) по контуру выработки в зависимости от прочностной анизотропии, вызванной слоистостью вмещающего массива, возникают локальные области разрушения пород. Обрушаясь» породы оказывают

4

давление на крепь за счет собственной массы, обуславливая работу ее ^в режиме заданной нагрузки.

Ik

3.5, В диапазоне условий 0,35 (область III) вокруг выработки с течением времени образуется сплошная зона неупругих деформаций, связанная с разрушением и пластическим течением пород. Увеличение объема пород в зоне неупругих деформаций вызывает всесторонние смешения контура выработки, которые технически выполнимая крепь не в состоянии предотвратить. В этих условиях крепь работает вместе с породами приконтурной зоны в режиме заданной деформации.

4. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КРЕПИ С ГОРНЫМ МАССИВОМ

4Л« В 1-й области горно-геологических условий (^< 0,2) смещения пород определяются упругими деформациями (смещения контура не превышают 50 мм), крепь не испытывает регулярных нагрузок и ее параметры назначаются из эстетических и технологических соображений.

5

4.2. Во второй области горнонгеологических условий (0,2 ^ ^ ^ 0,35) смещения породного контура определяются упругодолзучжмл деформациями массива и увеличением объема пород в зонах локального разрушения.

Максимально возможные смешения со стороны кровли и боков определяются по графикам рис. 2 и 3.

Нагрузка на крепь в рассматриваемом диапазоне условий формируется от массы пород в зонах локальных разрушений. Расположение и размеры этих зон определяются в соответствии со схемой, представленной на рис. 4, пользуясь графиками рис. 5 и б для соответствующего угла падения пород.

Рис. 4. Схема к определению расположения и размеров зон локальных разрушений пород по контуру выработки: Z - размер зоны разрушения вокруг выработки, м

4ДДля третьей области горно-геологических условий (*£> 0,35) прогнозируются смещения контура выработки и несущая способность крепи.

Смешения со стороны кровли Uk и боков 11$ рассчитываются по формулам    _г

Uк *а|(°'^[^0,01+0,3810^^fH+R)]“⁰'⁰¹}' ⁽¹)

UВ Ч{(°'⁶⁷([^'^—Г[°.⁰¹+0.38 ЮЛгН^)]-0,01). (2) Несущая способность крепи рассчитывается по формулам ^=ТГа(6.7^-0.9),    (3)

7