2.1. На шахтах комбината «Сахалинуголь» рекомендуется применять металлические податливые рамные крепи—арочную, трапециевидную, кольцевую

Допускается применение жестких арочной и трапециевидной крепей, а также деревянной*.

2.2- Рамы (арки, кольца, трапеции) устанавливаются в выработке в разбежку и скрепляются межрамными стяжками. Промежутки между рамами перетягиваются с помощью различной перетяжки.

2.3. Рама металлической арочной податливой крепи АП (рис. 21) изготавливается из спецпрофиля парного СП-18, СП-28 или взаимозаменяемого СВП-17, СВГ1-22, СВП-27 (см. приложение 1) с расположением днища профиля внутрь выработки . Рама состоит из трех основных элементов: верхняка и двух взаимозаменяемых боковых стоек, соединяемых с всрхняком внахлестку и скрепляемых хомутами. В случае применения парного спецпрофиля стойки изготавливаются из профиля А, а верхияк — из профиля Б. Соединение должно иметь первоначальную нахлестку 400 мм и скрепляться двумя хомутами с гайками. Податливость крепи осуществляется за счет перемещения верхняка относительно стоек.

2.4 Рама металлической арочной податливой крепи постоянного сопротивления АПС конструкции И ГД им А. А. Скочинского (рис. 2.2) отличается от крепи АП наличием на концах верхняка опорных башмаков, приваренных через гибкие пластины и имеющих планки с вырезами, которыми фиксируются соединительные хомуты Податливость крепи осуществляется за счет скольжения башмаков по стойкам с постоянным сопротивлением за счет неизменной поверхности трения, отсутствия перекосов к стойкам со стороны выработки уменьшает влияние изгибающих моментов на работу узлов податливости, устрани*

х) Деревянная крепь подготовительных выработок в силу большого опыта ее применения и распространенности в данной временной инструкции не описывается.

ет заклинивание элементов, обеспечивает работоспособность крепи при неравномерных смещениях верхняка. исключает возможность заклинивания между боками выработки и его деформацию.

2.5. Рамы металлической кольцевой податливой крепи КП состоят из нескольких сегментов, выполненных из спецпрофиля Соединение рам между собой осуществляется также с помощью стяжек. Четырехсегментная крепь (рис. 2-3) может изготавливаться из парного

ТЬхниоескоя характеристика крепа

сиецпрофнля, в этом случае боковые элементы — из профиля А, верхний и нижний — из профиля Б. Величина нахлестки и соединительные хомуты те же. что и для арочной податливой крепи. Податливость крепи осуществляется за счет вдвигания верхнего и нижнего элементов в боковые. Для уменьшения трудоемкости возведения крепи рекомендуется использовать вместо хомутов с гайками клиновые замки.

2.6 Металлическая трапециевидная жесткая крепь изготавливается изспсцпрофнля или двутавровых балок № 18, 20. В рамс из спецпро-филя верхняя располагается днищем профиля внутрь выработки, а стойки — наружу; торцы верхняка сплющиваются настолько, чтобы стенки профиля оказались перпендикулярными днищу. Торец стойки для равномерного прилегания полок профиля верхняка рекомендуется срезать под углом 8—10*- Соединительные детали могут отсутствовать (рис- 2.4. а) или в сквозные совпадающие отверстия стойки и

о

а — из спеипрофиля без соединительных деталей; б — то же с применением болта: 1 — верхняя; 2 —стойка; 3 — болт; в — из двутавра: I — верхняя; 2 — отрезок спеипрофиля, приваренный к верхняку; 3 — стойка; 4 — отрезок спеипрофиля припаренный к стойке.

14

ьерхняка вставляется болт (рис 2.46). Верхняя рамы из двутавра (рис. 2.4. в) имеет приваренные упоры (отрезки из спецпрофнля) длиной 100 мм. Верхний торец стойки срезан под углом 10° к нормальному сечению профиля, к нему приварен отрезок спецпрофнля. выштампо-ванный по размерам полки двутавра, для укладки верхняка (6).

27. Рамы металлической трапециевидной податливой крепи изготавливаются из спецпрофнля с расположением вертикальной оси профиля в плоскости поперечного сечения. Податливость крепи обеспечивается за счет узлов податливости на стойках (рис. 2.5. а) или за счет вдвигания в стойки консолей верхняка. В последнем случае (рис. 25,6) верхняк иред-

ставляет собой сварную конструкцию, днище спецпрофнля при изготовлении крепи может располагаться как внутрь выработки, так и наружу. При парном спецпрофиле части стойки или консуль верхняка и стойки должны выполняться соответственно из профилей типов А и Б.

Рекомендуется применять для соединения элементов крепи клиновые замки.

28. Л\еталлнческая арочная жесткая крепь (рис. 2. 6.) изготавливается из двутавра X* 16-20 или старых рельсов типа Р-24. Рама состоит из двух полуарок, которые соединяются при помощи’соединительных планок, накладываемых с обеих сторон, и болтов с гайками.

л

2.9. Размеры верхняков и стоек металлической трапециевидной, а также полуарок жесткой арочной крепи указывается заказчиком в соответствии с утвержденным проектом или паспортом крепления выработки. Конструктивные размеры трапециевидных крепей составляют: высота (выработки)-1900-2800 мм; ширина (по верхняку)-1500-2600 мм.

210 Нижние торцы стоек металлических крепей для увеличения площади опоры снабжаются в зависимости от условий диафрагмой (при выполнении стоек из спецпрофиля), опорной плитой или башмаком.

Техническая характеристика трапециевидной металлической рамной крепи приведена в таблице 2.1.

2.11. Металлические рамы, устанавливаемые в разбежку, для повышения устойчивости крепи и равномерного распределения нагрузки на крепь по длине выработки должны соединяться межрамными стяжками (рис. 2-7), изготовленными из спецпрофиля, уголковой стали (5x5), швеллера (JVfe 4-6) и других профилей проката черных металлов для жестких конструкций крепи. Длина стяжек зависит от расстояния между рамами, принятого по паспорту крепления.

2.12. Металлическая рамная крепь комплектуется с учетом следующего: рамы податливой кольцевой крепи сосди-

Исследованиями последних лет установлено, что в сейсмоактивных районах Сахалинской области при землетрясении в пять и более баллов в зависимости от глубины расположения выработок, их сечения, характеристики вмещающих пород и т. д. происходит увеличение нагрузок на крепь горных выработок, что может привести к аварийному их состоянию [1]- Например, на шахте «Шебунино» при Мо-неронском землетрясении в 1971 г. в семь баллов отмечались случаи нарушений крепи в выходящих на поверхность выработках монолитной бетонной крепью; порвало водопровод в нескольких местах, водопровод в шахте дал течи в стыках труб, чураковые перемычки, обмазанные бетоном (толщина 1-2 см) дали трещины; наблюдалось обильное выделение метана через перемычки из выработанного пространства. Особенно влияние сейсмики сказывается на устойчивости горных выработок в местах нарушений, что особенно важно для

шахт комбината «Сахалинуголь», разрабатывающих угольные месторождения, залегающие в сложных горногеологнческих условиях.

КузНИУИ проведено изучение указанного вопроса в 1971-72 гг. Для использования накопленных результатов исследований в постоянной работе шахт на первом этапе осуществляется выпуск «Временной инструкции по креплению горных выработок угольных шахт в сейсмоопасных районах о. Сахалин».

В дальнейшем, по мере накопления опыта данная инструкция будет скорректирована и уточнена в соответствии с поступившими замечаниями и пожеланиями. Замечания и пожелания просим направлять по адресам:

г. Южно-Сахалинск, комбинат «Сахалинуголь» или г. Прокопьевск 653033, Кемеровской области, проспект Ю Гагарина, 26

КузНИУИ.

Остро» Сахалин является одним из сейсмоактивных районов страны. Землетрясения большей частью происходят в южной и центральной частях острова. Геологическое строение и характеристика глубинных тектонических разломов о. Сахалина описана в работе КузНИУИ № 19-8п «Изыскание наиболее рациональных и безопасных методов ведения подземных разработок угольных месторождений Сахалинской области».

По имеющимся сведениям на острове Сахалин с 1906 г. произошло более 1500 землет

рясений различной интенсивности от 111 до VIII баллов по шкале MSK-64, включая и повторные толчки (афтершоки). В южном районе острова более сильные землетрясения (VI баллов и более) охватывают города Южно-Сахалинск, Горнозаводск, Анпва, Корсаков, Холмск. В центральной части Сахалина такие землетрясения бывают в Лесогорске, Углегорске, Шахтерске, Оноре; в северной части наиболее активен район Ноглпнов и Охи- В зоны землетрясений попадают районы с угледобывающей промышленностью. Так, за последние 50 лет с 1921 по 1971 г- в южном угленосном районе Сахалина произошло около 30 землетрясений. в том числе силой V-VI баллов-10 и одно землетрясение в VII баллов, остальные — силой I1I-V баллов-

В южном угленосном районе в зону землетрясений попадают шахты «Горнозаводская», «Шсбунино» и «Южно-Сахалинская». В частности, последнее сильное землетрясение 6сентября 1971 года больше ощущалось на шахтах «Горнозаводская» и «Шсбунино».

В Углегорском районе за 50 лет произошло около 20 землетрясений интенсивностью V-VIII баллов, из них 6 землетрясений VI-VII баллов, одно землетрясение произошло интенсивностью VIII баллов (15. III. 1924 года). Восьми-балльное землетрясение охватило районы городов Шахтерска и Лесогорска.

В Углегорском угольном районе- подверженном землетрясением. расположены шахты «Тельновская», «Углегорская», «Бошняково», «Ударновская».

В Александровском угленосном районе Сахалина с 1906 г. произошло 10 землетрясений силой V1-VII баллов, причем три из них силой V-VI баллов и два землетрясения силой VII баллов (26. XII. 1906 г., 2 II. 1909 г- в районе города Алексанлровска). В этом райо-

Районы землетрясений силон более 7 баллов Рис. I. !. Сейсмическое районирование о. Сахалин.

пс в зоне землетрясений находятся шахты «Мгачн», сАрково» и «Макарьевская».

Строительными нормами и правилами для сейсмических районов (СН и I1-A12-69) территория о. Сахалин, где размещена угледобывающий промышленность, отнесена к семибалльной зоне сейсмостойкого строительства (рис. 1. I).

Таким образом, за последние 50 лет на Сахалине в районах с угледобывающей промышленностью произошло 60 землетрясений, из которых одно было силой VIII баллов, 9землетрясений силой VII баллов и 20 землетрясений силой V-VI баллов. Другими словами, в угольных районах о. Сахалин в среднем можно ожидать одно землетрясение силой VIII баллов в 50 лет, семибальное-одно в 6,5 лет и одно землетрясение V-VI баллов в три года. Эти данные—усредненные и частота землетрясений в дальнейшем может измениться как в сторону уменьшения, так и увеличения.

При некоторых землетрясениях шахты нс попадали в эпнцентральную зону с максимальной интенсивностью.

Б. Факторы, влияющие на устойчивость горных выработок

Вопрос об устойчивости горных выработок в сейсмоактивных районах, исследования которого начаты КузНИУИ, возник в связи с Монеронскнм землетрясением 6 сентября 1971 г., имевшим интенсивность семь баллов в районе шахт «Шебуннно» и «Горнозаводская» комбината «Сахалинуголь». Этот вопрос для горной науки является новым и в инженерной сейсмологии очень мало исследован.

Физическую сущность явлений, происходящих с горными выработками при землетрясениях, можно объяснить следующим образом-При землетрясениях на горные выработки воздействуют дополнительные нагрузки, внезапность приложений которых и знакоперемен-ность действия при колебаниях окружающего выработку массива и элементов крепи определяют динамический характер этих нагрузок-С достаточной для практических целей точностью сейсмические нагрузки можно учитывать как дополнительное горное давление, обусловливаемое либо инерционными силами, возникающими в горном массиве или его части, либо сейсмическим напряженным состоянием горных пород.

Условие устойчивости закрепленной горной выработки можно записать в виде уравнения

где Р„ — несущая способность крепи, т/м¹;

— статическое горное давление на крепь, т/м⁷;

Рлян— динамическая нагрузка на крепь от сейсмического воздействия, т/м¹;

Л'_г„р— коэффициент динамического упрочнения материала крепи.

Здесь величины Р„ и Я_{т определяются методами, известными в горной науке, и далее нами не рассматриваются. Значение /С_упрмож-но позаимствовать из практики сейсмостойкого строительства зданий (!) и принять для металлической крепи /С_увр - 1,4, для деревянной крепи Кущр *= 1,3, для бетонной крепи и кирпичной кладки /Су„р =* 1,0-г 1,2.

Определение величины Р_м„. исходя из их соответствия величинам максимальных* сейсмических напряжений, можно произвести по формулам, предложенным Ш. Г. Напетварид-зе [(7)].

»т--|-k.s/_c-t.    (*)

± ^K'S:,g-T,    (3)

где ° — нормальное сейсмическое напряжения (растяжения-сжатия), кг/см?; т — тангенциальные сейсмические напряжения (сдвига), кг/см⁷-, р — ускорение силы тяжести, м/сек⁷;

Sy — коэффициент учитывающий отставание деформации крепи от деформации окружающего массива. Определяется экспериментально и должен быть менее 1. С учетом запаса можно принять S_s =1;

К _t — коэффициент сейсмичности, зависит от интенсивности возможного землетрясения и принимается по строительным нормам и правилам (СН и П- П-А. 12—69)-Е — модуль упругости при растяжении (сжатии), кг/см⁷;

G — модуль упругости при сдвиге, кг/см⁷, G=0.4E;

С_р— скорость распространения продольных сейсмических волн, м/сек;

С $ — скорость распространения поперечных сейсмических волн, м/сек. С₅=0,6 С_а:

Т — период колебаний среды, сек.

Рассчитанные значения напряжений приведены в табл. I. I. для бетона и кирпичной кладки, при этом принято Кс =0,05, Т = 0,6 сек. (характер местного землетрясения интенсивностью VIII баллов).

Из приведенных в табл. I. I. данных видно, что напряжения в крепи резко возрастают с уменьшением прочностных свойств горных пород, в которых пройдена выработка, в слабых породах при землетрясении в 8 баллов они уже могут достигать значений, при которых возможны повреждения крепи- При увеличении интенсивности землетрясения на I балл сейсмические нагрузки возрастают в 2 раза.

В формулах (2) н (3) не учитывается глубина заложения выработки, а известно ((8)], что она в значительной мере влияет на интенсивность проявлений сейсмических воздействий на устойчивость горных выработок.

Необходимо также отметить, что устойчивость горных выработок в большей степени

зависит от величины пролета и многих других горногеологнческих факторов. Строгий учет влияния всех факторов на устойчивость выработок в сейсмоопасных условиях невозможен без проведения специальных исследований и накопленного фактического материала. Однако многие практические выводы, с учетом проведенных КузНИУИ работ по изучению устойчивости выработок, попадающих в зоны влияния сейсмовзрывных волн, в настоящее время уже очевидны.

Как при землетрясениях, так и при воздействии сейсмовзрывных нагрузок, в соответствии с теорией упругости, возникающие в массиве напряжения можно определить, исходя из выражения

°= —-C,U,    (4)

где о — максимальные нормальные напряжения, кГ7см*;

р — объемный вес горной породы, к Г 1см³', С_р— скорость распространения продольных волн в массиве, см/сек;

U—скорость колебаний массива, см/сек; g — ускорение силы тяжести, см1сек²; формулу (4) можно представить в виде

В этом случае, зная скорости колебаний массива (£/), при которых возникают напряжения, приводящие к нарушениям или разрушениям крепи в горных выработках, можно судить о их сравнительной устойчивости, т. е сравнение устойчивости различных видов крепи к сейсмическим нагрузкам хорошо выражается сравнением скоростей колебаний массива горных пород контура выработки, при которых происходит разрушение или заметная деформация крепи (3). Так, монолитная бетонная крепь (М 150) разрушается при скорости колебаний массива U = 35 см/сек (это соответствует землетрясению в IX баллов), деревянная крепь, простоявшая в эксплуатации около 3-х лет, при U = 70-75 см!сек, в то же время вновь уста

новленная деревянная крепь и металлическая арочная податливая крепь при этих скоростях полностью сохраняют несущую способность. Арочная металлическая крепь хорошо выдержала колебания при скорости 125-150 см(сек. что соответствует землетрясениям силой более десяти баллов.

Результаты исследований, при которых инструментальные замеры U были проведены специалистами сектора сейсмики Уральского филиала ВНИМИ, приведены в табл. 1. 2.

Из таблицы I. 2. видно, что наибольшей устойчивостью обладают металлические арочные податливые крепи, несколько менее устойчивы новые деревянные трапециевидные крепи. Значительно менее устойчива жесткая монолитная бетонная крепь, незначительна устойчивость выработок, закрепленных деревянной крспыо, простоявшей более 3-4 лет, т. е. практически имеющей очень малую несущую способность

При расчете крепи в горных выработках попадающих в сейсмоопасные условия, в первом приближении можно пользоваться формулой

Рш<Кш‘Рсг.    (V

где Р„ — несущая способность крепи, т/м⁹; К_са— предварительный сейсмический коэффициент, определяемый по табл. 1,3; /^>ст — статическое горное давление на крепь, т/м^г.

но. что устойчивость выработок возрастает с их глубиной. При этом учтено, что в наиболее неблагоприятном отношении при землетрясениях находятся выработки карьеров, где возможны оползни бортов траншей и рабочих уступов, и входы в шахты. С глубины, превышающей 15 м, значительно снижается действие поверхностных сейсмических волн (волны Релея, Лява и др.), а на глубине более 50 м интенсивность землетрясения падает на 1-2 балла [7].

Устойчивость выработок повышается с увеличением крепости пород, отмечается, что большей устойчивостью должны обладать капитальные выработки.

Угол падения также сказывается на устойчивость выработки. При этом вертикальные выработки, в связи с более резким их заглублением и наличием крепи по всему сечению выработки, более устойчивы, чем горизонтальные. а наклонные занимают промежуточное положение.

Расположение выработок относительно очистных работ в значительной мере влияет на их устойчивость. Устойчивость выработок зависит также от способа их охраны. Устойчивость уменьшается с увеличением площади поперечного сечения, с нарушением боковых пород при проходке, с увеличением площади занимаемой угольным пластом в сечении забоя.

Наиболее благоприятной, с точки зрения статического и динамического давления, является круглая или эллиптическая форма сечения выработки. С уменьшением скругления углов в выработке появляются области концентрации напряжений и устойчивость ее уменьшается Меньшей устойчивостью обладают выработки, проходимые широким забоем.

Нужно также учитывать, что сейсмические нагрузки распределяются между отдельными несущими элементами крепи пропорциональ

но их жесткости аналогично распределению статического горного давления. Следовательно, во избежание перегрузок отдельных элементов крепи необходимо проектировать их примерно одинаковой жесткости- С целью смягчения (демпфирования) сейсмических толков нужно отдать предпочтение податливым крепям.

К уменьшению инерционных сейсмических нагрузок приводит также использование крепи с меньшим весом, приходящимся на 1 пог. м. выработки. Отрицательное значение имеет наличие развивающегося свода обрушения над выработкой и выступов, приводящих к концентрации напряжений, поэтому крепление выработок и оборка боков и кровли перед установкой крепи в сейсмоопасных районах должны выполняться весьма тщательно Положительным фактором, увеличивающим устойчивость выработки в 1,5-2 раза, является применение дополнительного анкс-рования кровли и боков выработки.

Большое внимание должно уделяться наличию и надежности конструкций забойных и временных крепей соответственно в забоях очистных и подготовительных выработок, а также повышению качества крепления сопряжений.

Исходя из сказанного, в сейсмоопасных районах горные выработки, выходящие из шахт на поверхность, до глубины 15 м нужно крепить железобетонной или металлической крепями. Эти крепи желательно устанавливать также до глубины 50 м, хотя в этих условиях можно использовать деревянную и комбинированную крепи. Монолитную бетонную крепь можно применять лишь на глубине более 50 дг. Если выработки до глубины 50 м уже закреплены монолитной бетонной крепью, то ее необходимо усилить анкерами или установкой металлических рам.