Лабораторный практикум по ККПС 2011

Рецензенты:

Профессор кафедры строительства подземных сооружений и шахт, Кузбасского государственного технического университета, кандидат технических наук М. Д. Войтов.

Доцент кафедры строительства подземных сооружений и шахт, Кузбасского государственного технического университета, кандидат технических наук А. В. Дементьев.

Першин, В. В. Конструкции крепей подземных сооружений: лабораторный практикум: учебное пособие [Электронный ресурс] для студентов специальности 130406 «Шахтное и подземное строительство» / В. В. Першин, П. М. Будников – Электрон. дан. – Кемерово: КузГТУ, 2011. – 1 электрон. опт. диск

(CD-ROM) ; зв. ; цв. ; 12 см. – Систем. требования : Pentium IV ;

ОЗУ 512 Мб ; Windows XP ; (CD-ROM-дисковод) ; мышь. – Загл. с экрана.

Лабораторный практикум разработан в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по дисциплине «Конструкции крепей подземных сооружений» для направления специальности 130406 «Шахтное и подземное строительство».

Описаны лабораторные работы, даны указания по обработке результатов эксперимента и составлению отчета. Приведены краткие сведения о крепежных материалах и крепях горных выработок.

С КузГТУ, 2011

С Першин В. В., Будников П. М., 2011

П Р Е Д И С Л О В И Е

Изучая дисциплину «Геомеханика», студенты выполняют лабораторные работы по определению прочностных, деформационных, реологических и акустических свойств горных пород и коэффициента структурно-текстурного ослабления пород. Поля- ризационно-оптическим методом исследуют закономерности распределения напряжений вокруг одиночных и сближенных горных выработок и подземных сооружений.

На основе лекционных и лабораторных занятий по дисциплине «Геомеханика» у студентов, обучающихся по специальности «Шахтное и подземное строительство», формируется база для успешного изучения последующей дисциплины «Конструкции крепей подземных сооружений».

Опыт разработки угольных месторождений показывает, что в связи с ухудшением горно-геологических условий и увеличением протяженности поддерживаемых горных выработок их эксплуатационное состояние в течение всего срока службы в ряде случаев нельзя обеспечить из-за отсутствия достоверных данных об ожидаемых смещениях пород, о нагрузках на крепь и других влияющих факторах, поэтому выработки иногда приходится ремонтировать 2–3 раза. Ремонтные работы затрудняют работу шахтного транспорта, требуют привлечения большого числа горнорабочих, увеличивают себестоимость угля, снижают безопасность труда.

Исходя из выше изложенного, настоящий лабораторный практикум включает лабораторные работы по изучению конструкций крепей горных выработок (подземных сооружений), условий и области их целесообразного применения и приборов для измерения смещений пород и нагрузок на крепи в натурных условиях.

Изложены краткие сведения о крепежных материалах и приведены основные требования, предъявляемые к крепям горных выработок.

В конце каждой лабораторной работы приведены контрольные вопросы для самостоятельной работы и подготовки к отчету о выполненных лабораторных работах.

4

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ И ОФОРМЛЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Лабораторные работы студенты выполняют звеньями и оформляют в отдельной тетради с указанием на обложке фамилии, имени, отчества, номера группы и звена. По каждой лабораторной работе студент составляет отчет, который должен содержать:

название работы и дату выполнения;

цель и задачи работы;

рисунки конструкций изученных крепей и основных их

узлов;

рисунки межрамных ограждений;

рисунки конструкций приборов, основных их узлов для измерения смещений пород, нагрузок на крепи и др.;

краткое описание устройства, принципа работы, условий и области применения крепей и межрамных ограждений;

краткое описание принципа работы приборов;

краткие выводы по работе с указанием достоинств и недостатков крепей и приборов;

предложения по совершенствованию крепей и приборов. При выполнении лабораторных работ применяются единицы

физических величин международной системы (СИ). Рисунки следует выполнять согласно требованиям действующих стандартов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КРЕПЕЖНЫХ МАТЕРИАЛАХ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ

К р е п е ж н ы м и м а т е р и а л а м и называют материалы,

применяемые для изготовления горных крепей. Для крепления горных выработок применяют дерево, металл, железобетон, естественные и искусственные камни, стеклопластики, различные синтетические смолы и другие полимерные материалы. Наиболее широко используют металлы, бетоны и железобетоны. Материалы, применяемые для крепления горных выработок и подземных сооружений, должны соответствовать требованиям стандартов и определенным техническим условиям.

Крепежные материалы должны удовлетворять следующим основным требованиям: иметь высокую прочность; обладать стой-

5

костью против гниения и коррозии, быть огнестойкими, морозостойкими и водонепроницаемыми; иметь сравнительно небольшую массу; не быть дефицитными, быть технологичными и удобными в изготовлении и обработке; иметь невысокую стоимость.

Горные крепи воспринимают те или иные нагрузки и подвергаются воздействию окружающей среды. Поэтому крепежные материалы должны обладать необходимой прочностью, а также способностью сопротивляться физическим и химическим воздействиям среды: воздуха, воды и растворенных в ней веществ, колебаниям температуры и влажности.

В с е с в о й с т в а крепежных материалов по совокупности признаков подразделяют на ф и з и ч е с к и е , х и м и ч е с к и е и т е х н о л о г и ч е с к и е . Основными физическими свойствами являются плотность, объемная масса, пористость, влажность, прочность при одноосном сжатии (растяжении), изгибе и кручении, деформируемость под нагрузкой (модуль упругости, модуль сдвига, коэффициент Пуассона и др.). Химические свойства оценивают главным образом показателями стойкости материалов при действии воды и воздуха, содержащих минералы, соли и другие вещества, которые вызывают обменные реакции в материале и его разрушение. Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться обработке при изготовлении из него крепи.

Свойства материалов оценивают числовыми показателями, устанавливаемыми путем испытаний в соответствии со стандартами и техническими условиями.

В зависимости от сферы действия с т а н д а р т ы м о г у т б ы т ь г о с у д а р с т в е н н ы м и ( Г О С Т ) , о т р а с л е в ы м и ( О С Т ) и с т а н д а р т а м и п р е д п р и я т и й ( С Т П ) . Для изготовления горных крепей применяют обычно материалы, на которые установлены государственные стандарты.

Крепежные материалы подразделяют:

п о и с п о л ь з о в а н и ю в к о н с т р у к ц и и к р е п и – на основные, применяемые в несущих элементах крепи (металл, дерево, бетон, железобетон, естественные и искусственные камни, пластмассы и др.), вяжущие, служащие для приготовления растворов, бетонов и пластмасс (цементы, известь, смолы и др.), и

6

вспомогательные (водоизоляционные материалы, химические реагенты и др.);

п о с р о к у с л у ж б ы в в ы р а б о т к а х – на долговеч-

ные (бетон, железобетон, металл и др.) и недолговечные (дерево);

п о с т е п е н и с о п р о т и в л я е м о с т и д е й с т в и ю о г н я – на огнестойкие (бетон, естественные камни), полуогнестойкие (пластмассы, металл), сгораемые (древесина);

п о х а р а к т е р у д е ф о р м а ц и и п о д н а г р у з к о й – на хрупкие (бетон, камни и др.) и упругопластические (металл и пр.).

Важным техническим показателем всех конструктивных материалов, в том числе и крепежных, является к о э ф ф и ц и е н т к о н с т р у к т и в н о г о к а ч е с т в а м а т е р и а л а . Этот ко-

эффициент определяют отношением прочности (временного сопротивления) материала к его объемной массе. В табл. 1 приведены технические показатели отдельных крепежных материалов.

Крепежные материалы выбирают в зависимости от конструкции крепи, назначения и срока службы выработки и условий работы крепи, а также с учетом экономической целесообразности. Надежность и эффективность крепления горных выработок в большой мере зависят от стоимости крепежных материалов при их изготовлении и транспортировании. Снижение материалоемкости крепей благодаря применению более прогрессивных материалов и повышению качества их изготовления является важным направлением повышения эффективности работы горных предприятий страны. Достаточно отметить, что в угольной промышленности страны ежегодно расходуют около 450 тыс. т металла, около 2,5 млн м3 крепежного леса, свыше 20 тыс. т цемента.

Л е с н ы е м а т е р и а л ы

Л е с о м а т е р и а л ы довольно широко применяют для крепления горных выработок. Древесина имеет довольно высокую прочность, сравнительно небольшую объемную массу, легко обрабатывается и невысока ее первоначальная стоимость. Основные недостатки дерева – огнеопасность, недолговечность в связи с подверженностью гниению, особенно в подземных условиях, невозможность многократного использования, значительная измен-

8

чивость показателей прочности и высокая влажность в свежесрубленном состоянии (до 80 %). Вследствие гниения срок службы деревянной крепи в среднем составляет всего 2–3 года, а в выработках с исходящей вентиляционной струей и повышенной влажностью – менее 1 года. В связи с этим объемы крепления горных выработок деревянной крепью в последние годы довольно быстро снижаются. Основной областью ее применения являются прочие выработки со сроком службы 1–2 года.

Для крепления горных выработок применяют в основном хвойные породы леса: сосну, ель, лиственницу, кедр, пихту, реже

– лиственные (дуб, бук, березу и др.).

П л о т н о с т ь древесины изменяется незначительно, так как древесина всех деревьев состоит в основном из одного и того же вещества – целлюлозы. Поэтому среднюю плотность древесины можно принять равной 540 кг/м3.

О б ъ е м н а я м а с с а д р е в е с и н ы разных пород и даже древесины одной и той же породы колеблется в весьма широких пределах, поскольку строение и пористость растущего дерева зависят от почвы, климата и других природных условий. Древесина может быть очень мягкой – объемная масса 450 кг/м3 (кедр, пихта), легкой – объемная масса 460–600 кг/м3 (сосна, ель, осина), со средней объемной массой 610–750 кг/м3 (лиственница, дуб, береза), тяжелой с объемной массой 760–900 кг/м3 (граб, железное дерево) и очень тяжелой с объемной массой более 910 кг/м3 (самшит, кизил и др.).

П о р и с т о с т ь древесины хвойных пород колеблется от 46 до 81 %, лиственных – от 32 до 80 %.

В л а ж н о с т ь свежесрубленной древесины составляет от 35 до 80 %, в среднем для сосны – 40 %, ели – 45 %, пихты – 37 %, лиственницы – 26 %, дуба – 30 %.

Объемная масса и пористость древесины некоторых хвойных и лиственных пород приведены в табл. 2.

Прочность древесины (сопротивление сжатию, растяжению, изгибу) зависит от породы дерева, влажности, строения.

В табл. 3 приведено среднее значение показателей прочности древесины при 15%-ной (стандартной) влажности.

Таблица 3

Средние величины прочности древесины при 15 % влажности

Предел прочность древесины на сжатие вдоль волокон в 4–6 раз больше, чем поперек волокон, при растяжении вдоль волокон она в среднем в 2,5 раза превосходит соответствующий предел прочности на сжатие.

10

Предел прочность элементов деревянной крепи (верхняка и стоек рамы) в значительной мере зависит от их размеров. В табл. 4 приведены фактические прочностные показатели крепежных деревянных стоек различной длины и диаметра.

Таблица 4

Показатели прочности элементов деревянной крепи

Примечание:* Средневзвешенные значения

сти ее строения или внутренние повреждения, а также заболевания, делающие ее непригодной для изготовления крепи. К порокам древесины относят сучки, трещины, неправильность формы и строения древесины (сбежистость, т. е. уменьшение диаметра круглых лесоматериалов от толстого к тонкому концу; закомелистость и кривизна ствола; наклон волокон), грибные поражения, повреждения насекомыми, т.е. червоточина; ненормальная окраска и др. Неестественные окраски возникают в срубленном дереве